下運式帶式輸送機變頻技術研究

王 洲

（長治經坊煤業有限公司， 山西 長治 047100）

引言

傳統的帶式輸送機功率恒定，其電動機驅動方式多為真空磁力式。在啟動時，多部電機同時工作，啟動電流大，會對供電系統的穩定性產生影響。某煤礦由于地質條件較為特殊，需要使用下運式帶式輸送機完成煤炭運輸的工作，但在運輸過程中存在負力運行、速度無法控制等缺點。為解決上述缺點，需要對帶式輸送機進行變頻設計。

1 煤礦概況及下運式帶式輸送機存在的問題

1.1 現場概況

該煤礦運輸順槽的帶式輸送機安裝了兩部變頻調速裝置[1]，在礦井投產初期，原帶式輸送機可完成煤炭的運輸工作。但是隨著開采的不斷進行，受工作面布置及地質條件的影響，2203工作面運輸順槽出現了一段長距離的下山運輸，在運輸過程中，由于負載較大，供電系統可能會出現跳閘，煤炭在重力的作用下沿帶式輸送機向下運動，具有重大的安全隱患。

1.2 煤炭下運過程中存在的問題

1）兩象限變速裝置無法準確像電網反饋用電情況[2]，可能會導致供電線路的母線和變頻器電壓過高。對下運式帶式輸送機運煤過程中的受力情況進行分析，在運輸過程中，煤炭會產生一個沿著皮帶運輸方向且與皮帶阻力相反的下滑力。當皮帶上的煤炭逐漸增多時，下滑力也逐漸變大，如果下滑力和膠帶阻力相等，電動機將無法進行扭矩輸出。如果下滑力大于阻力，則電動機的牽引力為負。方向與膠帶的阻力方向相同，即下滑力克服皮帶阻力運行，此時電動機的電子旋轉方向及電磁轉矩方向將會發生改變，發動機的工作狀態為發電制動，變頻器所產生的能量會傳遞到母線，需要額外的電量將信號反饋到電網。使用兩象限變頻調速裝置對電網反饋，出現跳閘現象，影響運輸的正常進行。

2）由于帶式輸送機上的兩個滾筒負載不平衡[3]，造成兩臺變頻器的輸出功率不同。在進行運煤時，可能會因為變頻器輸出功率差距過大，而使電網出現跳閘保護。

3）帶式輸送機因為某種情況需要緊急停車時，膠帶輸送機上面的煤還會在慣性的作用下繼續運行一段時間。此時，電動機無法對其進行控制，會給煤礦的安全生產帶來風險。在帶式輸送機司機按下停止按鈕之后，PLC控制箱對變頻器發出停車指令，帶式輸送機接收到信號之后，驅動滾筒停止轉動，但向下運轉時勢能較大，在膠帶和煤的作用下，造成滾筒打滑，輸送機繼續運行一段距離。

2 下運問題解決方案

2.1 負力運行時能量反饋解決方案

將工作面運輸順槽的帶式輸送機改為四象限變頻調速裝置[4]，可解決輸送機負力運行時能量反饋的問題。

1）帶式輸送機的驅動方式為雙滾筒驅動[5]，1臺四象限變頻裝置控制1臺電動機，變頻調速裝置共2臺，1臺為主變頻裝置，1臺為從變頻裝置，兩臺變頻裝置在工作時相互配合，進行負載調節，保證輸出功率平衡。此外還需要為每臺變頻調速裝置配備專門的電抗輸出器和電抗輸入器，以滿足工作需求。

2）四象限帶式輸送機變頻調速裝置可以將整流電路中的全波整流變成可控整流。電動機在工作時，整流控制元件會產生6路DWB脈沖信號，改變6個IGBT的工作狀態，IGBT的閉合、斷開狀態和輸入電抗器相互作用，形成正弦形交流電，能量經過電網從逆變流和整流回路流到電動機，此時四象變頻調速裝置位于一、三象限。電動機在工作時，產生的能量經IGBT流回母線，當母線的電壓超過一定值時，整流能量回饋控制部分啟動，電能經過電流逆變側流到電網，帶式輸送機變頻調速裝置位于二、四象限[6]。

3）對帶式輸送機變頻調速裝置的四象限分析后可知，當電動機沿順時針方向運轉時，電動機轉矩經減速器轉換，作用于驅動滾筒，然后同膠帶和覆煤沿膠帶方向的分力共同作用，此時電動機位于第一象限。當運煤量增加，驅動力矩隨之變大，當驅動力矩大于摩擦力矩，滾筒轉動速度加快，電動機轉子速度也變快，速度將會超過電動機同步轉速，電動機先正轉后制動，位于第二象限。當電動機反轉時，位于第三、四象限。當電動機處于一、三象限時，電動機的轉子與輸出的電磁轉柜轉向一致，電動機將電能轉化為機械能，帶動輸送機運轉。四象限變頻裝置系統控制如圖1所示。

圖1 四象限變頻調速裝置控制系統示意圖

2.2 兩臺變頻器功率輸出不平衡解決方案

給兩臺變頻器增加通信端口，使其輸出功率平衡。將其中一臺設為主變頻器，另一臺設置為從變頻器，采集兩臺變頻器的輸出電流，使用通訊程序對比電流值，調節兩臺變頻器的轉矩，實現輸出功率平衡。

2.3 帶式輸送機停車問題解決方案

原帶式輸送機通過驅動滾筒上的液壓制動閘停車，為了增加下運式帶式輸送機停車時的安全性，在帶式輸送機的機頭、機尾處安裝液壓制動裝置，在邊坡點安裝三腳架和液壓制動裝置。當帶式輸送機司機按下停止后，PLC控制箱發出停車信號，機頭、機尾和邊坡點的液壓制動裝置同時動作，實現帶式輸送機平穩停車，最大程度降低下運過程中的勢能影響。2203工作面運輸順槽共有3個邊坡點，在上順槽膠帶和輸送機的托輥中安裝制動緩沖裝置。采取上述方案后，縮短了制動時間，帶式輸送機制動裝置、三腳架和帶式輸送機的纏繞布置如圖2—圖4所示。

圖2 滾筒制動裝置圖（單位：mm）

圖3 三腳架加工圖（單位：mm）

圖4 帶式輸送機纏繞圖

3 結論

1）對下運式帶式輸送機變頻調速裝置改進后，解決了帶式輸送機運輸過程中兩臺變頻裝置輸出不平衡問題，將驅動電動機的能量消耗情況準確反饋到電網，節約了20%的電量。

2）解決了下運式帶式輸送機在停車過程中出現的停車速度無法控制以及制動效果穩定差的缺陷，實現了下運式帶式輸送機的平穩啟動、停車，加強了速度管理，實現設備穩定運行。

3）解決了電氣系統和機械系統的沖擊問題，降低了維護費用，延長了設備的使用壽命。

4）平穩的無級調速使帶式輸送機的啟動和停車更加穩定，減少了皮帶跑偏、灑煤、堆煤等現象。

[1]王錫法.大傾角下運帶式輸送機制動技術及應用[J].煤礦機械，2008，29（5）：158-161．

[2]費云河.四象限變頻調速裝置在下運膠帶機的應用[J].煤礦現代化，2006（21）：101-102．

[3]姜繼壽.變頻器變頻技術在煤礦帶式輸送機應用分析[J].山東煤炭科，2016（1）：105-107.

[4]趙俊陽.CST與變頻技術在帶式輸送機中的應用對比[J].中國高新技術企業，2016（9）：35-36.

[5]王新環，張宏偉，王德勝.帶式輸送機可控變速裝置軟啟動控制研究[J].礦山機械，2013（43）：56-59.

[6]薛河，劉蓮，楊芝苗，等.低溫及應變率對礦用圓環鏈沖擊性能的影響[J].西安科技大學學報，2011（3）：343-346．