變頻技術在刮板輸送機中的應用研究

閻斌斌

0 引言

隨著科技的發展，煤炭開采行業的技術也得到了迅速發展，逐漸實現了以拓撲網絡控制采煤工作面的大型綜采設備、支護設備和運輸設備。近幾年來，由于國家政策導向作用，大力鼓勵建設大型及特大型高產高效礦井，煤礦井下綜采工作面的設備功率越來越高，刮板輸送機功率的不斷提高，導致刮板輸送機起動及運行過程中，遇到了諸多問題。例如輸送機在運行時受到動態張力和靜阻力的作用，力的作用會導致輸送機與傳送帶之間的產生相對滑動，并產生了大量的熱能。這種現象不僅造成了能耗的增加，而且還降低了輸送機在運行過程中的安全性。通過對刮板輸送機進行變頻技術，在很大程度上解決了輸送機在運行過程中遇到的難題。

1 刮板輸送機驅動存在的問題及變頻調速技術改造

刮板輸送機在煤礦井下的主要作用是作為采煤機運行軌道的同時負責運送煤炭，刮板輸送機是否可以無故障平穩運行，直接關系到采煤工作面的生產連續性，一般來說，刮板輸送機在運行過程中遇到的問題主要包括：（1）負載重時起動困難；（2）在起動過程中輸送機收到的機械沖擊大；（3）在起動過程中輸送機受到強大的電流沖擊；（4）輸送機機頭與機尾的負載不均衡；（5）輸送機運行時頻繁的工頻點動及刮卡堵轉[1]。刮板輸送機的驅動方式主要有三種：軟起動器驅動；雙速軟起動器驅動；雙速磁力起動器驅動。各種驅動方式均有利弊，都需要進行完善改進。各種驅動方式對比如表1所示。采用變頻調速技術是為了實現改變電動機轉速的目的，按照電動機轉速和工作電源輸入頻率之間成正比例的關系，通過改變電動機工作時電源的輸入頻率實現調速。電動機有直流電動機和交流電動機之分，變頻調速只是針對交流電動機而言的。刮板輸送機進行變頻調速技術改造后可以實現如下五點功能[2]。

（1）控制電動機的起動電流。刮板輸送機在運行過程中如果以工頻直接起動，電機會在瞬間產生7～8倍的額定電流，這個強大的電流會使電動機線圈繞組之間的電應力急劇增加，電應力的存在會使線圈繞組產生熱量，最終導致線圈繞組老化，影響線圈使用壽命。使用變頻技術進行改進后，電動機可以在零速零電壓的狀態下起動，當電機的頻率和工作電壓之間的關系確定之后，變頻器就可以按照V/F、矢量控制方式或直接轉矩控制帶動負載進行工作。使用變頻技術進行改造后的電機可以在很大程度上減小起動電流，降低強大的起動電流對電網的沖擊，延長了電機繞組線圈的使用壽命。

表1 煤礦常用刮板輸送機驅動方式比較

（2）可控的加速功能。未進行改造前，電動機以工頻起動，電機的加速過程不受控制，這對于電機以及和電機相連的軸承和齒輪都會產生強烈振動，軸承和齒輪長時間受到這種振動的作用，加快了機械設備的磨損，縮短了機械設備及其各零部件的使用壽命，增加了煤炭生產成本，制約煤礦發展。使用變頻技術進行電機改造后，變頻調速可以保證電機零速起動，并根據煤礦井下刮板輸送機使用的實際情況進行平穩加速，電機的整個加速狀態是可控制的，可選擇直線加速，多種曲線加速。通過變頻改造后大大降低了電機在起動過程中對機械設備及個部件的沖擊[3]。

（3）起動過程轉矩提升。刮板輸送機電機在工作過程中會產生繞組電阻，繞組電阻的存在會導致電機在低速運轉時轉矩降低，為了把電機在運轉時低頻范圍增大，采用轉矩提升法（轉矩補償法）。在使用時采用變頻技術改造過后的輸送機時，電機在加速過程中電壓會自動升高用來補償由于起動所損失的轉矩，保證了電動機加速過程的順利進行。此外，還可以根據輸送機的電機的負載特性（主要指負載起動特性）進行手動補償，手動補償轉矩的關鍵在于變頻器的選取，經過分析試驗驗證表明，變頻器采用起動預勵磁技術，輸送機電機起動轉矩能夠達到2倍額定轉矩，解決了輸送機電機在負載較重時難以起動的問題。

（4）可以進行調節的輸送機運行速度。在進行變頻技術改造后逆變器實現了零轉差損耗，保證了輸送機在調速過程中的快捷高效，輸送機在運行時可以進行電流和電壓的無級調速。當存在電力危機時，輸送機電機可以根據輸送機負載變化規律改變交流電源的頻率，實現了自動調節電機速度的目的[4]。一般來說，可以根據工作面的實際情況，運用變頻調速技術將刮板輸送機分為兩個檔位運行，即工作狀態和空載或停機狀態。輸送機工作時，變頻器頻率設置為50Hz，輸送機空載或停機時，變頻器設置為低速運行，經過這種變頻技術改造，大大降低了刮板輸送機在空載或停機時的能量損耗，節能量達到了30%[5]。

（5）實現了刮板輸送機在運行過程中的功率平衡。刮板輸送機在運行中功率平衡主要指的是輸送機機頭和機尾實現同步停起和輸送機各部位鏈輪之間的平衡。要實現輸送機功率平衡，首先需調整電動機的兩個變頻器，經過調整變頻器之后，兩部電動機的速度可實現協調配合，保證了輸送機電機之間的速度差，維持了電機中電流值的平衡。

2 使用變頻技術改造輸送機過程中遇到的問題及解決方法

使用變頻技術對輸送機進行改造后會遇到如下問題。

（1）變頻器在使用過程中會導致集中控制裝置產生雜音。針對這一問題，使用變頻器前可以對變頻器進行改造，在變頻器中增加濾波器和電抗器，經過這種改造可以保證在使用變頻器時集中控制裝置正常運行，語音系統清晰度明顯增加。

（2）驅動機頭電機變頻器C相IGBT炸毀。造成這種現象的主要原因是輸送機在進行變頻改造初期調試時，存在刮卡堵轉問題。通過修改電流時間保護曲線，可以實現對輸送機電機和變頻器的有效保護[6]。

（3）變頻器在起動過程中會造成煤礦井下移動變電站低壓側保護箱的漏電保護裝置產生誤動作。為了解決這一問題，煤礦采用的措施是把高頻電容并在低壓漏電保護側與大地之間，這種措施徹底解決了低壓側漏電保護裝置誤動作問題。

3 結論

刮板輸送機在經過變頻技術改造后，設備性能的穩定性和可靠性得到了大幅度的提升，很好地解決了起動電流過大、起動過程中機械沖擊大、運行過程中功率難以平衡等一系列問題。這對于煤礦的安全生產和建設高產高效礦井都具有重要意義。