變頻調速技術及其在刮板輸送機中的應用

楊國放

（西山煤電股份有限公司鎮城底礦選煤廠， 山西 古交 030203）

引言

隨著社會經濟的發展，對煤礦的生產量與工作效率的要求越來越高，從而也使煤炭企業對刮板輸送的性能提出了較高的要求。煤礦在生產作業中，刮板傳送機的啟動與運行，都會受到動態張力和靜阻力的較大影響，輸送機上的傳送帶就會因此而發生滑動，從而使傳送帶相對的摩擦力與熱量增加，由此就會降低輸送機在運行中的安全、穩定性。根據實踐研究得到證實，將變頻調速技術應用到煤礦刮板輸送機中，既能夠使輸送機安全穩定地運行，又能夠減少傳輸機的維修養護，使傳送機的壽命得到保證并延長，從而保證煤炭生產順利進行，提高煤炭企業的生產效率。

1 變頻裝置與變頻調速技術簡介

1.1 變頻裝置

目前，礦井下普遍使用的變頻器是與普通電機分離開的，變頻器處于工作面電氣列車的位置，對于礦井下比較小的空間較為適用；而另外一種變頻機則為電頻一體機，即普通電機與變頻器為一個整體，這種裝置體積雖然較小，但是電機的高度比較高，對于煤礦井下作業面空間較大的場所比較適用。從結構上看，這種電頻一體機的其它聯接方式和普通電機基本沒有區別，具有互換性，其構成主要為電機與變頻器。

1.2 變頻調速技術

變頻調速技術是一種調節轉速的方法，變頻技術通過改變頻率的方法使轉速發生改變，從而使設備達到轉速所需的要求，即刮板機所需要的任意速度，都可以通過變頻的方式得以實現。這種技術的原理是通過改變交流電機中的電頻率，達到調節系統速度的目的。變頻調速系統由電抗器、變頻器主體（由IGBT功率器和可控硅整流器組成）、輔助器等組成，通過IGBT和濾波電容將直流電轉變成交流電，異步電動機的轉速和異步電動機定子電路電壓、定子感應電勢有效值公式分別如公式（1）、公式（2）、公式（3）所示：

式中：kw1為定子繞組每條支路和每相的串聯匝數（n=1，2，……）；Φm為主磁通量，Wb；f1為定子頻率，Hz；w1為定子繞組系數；Z1為定子等效阻抗，Ω；I1為定子電流，A；N為異步電動機的轉速，r/min；U1為異步電動機定子電路電壓，V；E1為定子感應電勢有效值，V；S為轉差率，%；P為電機極對數（常數）。

當忽略定子阻抗壓降時，如果轉差率不發生變化，電動機轉速和電流頻率呈正相關。變頻技術能夠通過改變頻率而實現速度的改變，而變頻電機的頻率范圍又比較廣，具有無級變速的功能，與雙速電機相比，其調速性能更佳[2]。

2 變頻調速的特點

在運輸機正常工作中，會以不同的扭矩低速運行，而在這種狀態下，其速度會保持一直不變。在煤礦生產作業以及運輸的整個過程中，特別是運輸材料時，在特定的范圍內負載電阻很有可能會發生扭矩變化，然而刮板輸送機其自身所具有的穩定性與均勻性會始終保持不變的狀態。另外，在整個煤炭工作和運輸過程中，輸送帶的速度基本上相同。根據操作經驗，刮板輸送機進行輸送的模式為兩種，即零功率和電源，接近零功率和負電源。

變頻調速特點為：第一，變頻調速技術使輸送機的軟起動與多個電機運行過程中所產生的功率保持平衡。變電器具有軟啟動功能，借助此功能，把電機與輸送機的軟啟動結合在一起。輸送機中具有多臺變電器，進行驅動時，通過其中的功率平衡調節軟件，可使輸出功率具有穩定性。如此，不僅能使輸送機的啟動張力減小，還能夠保證具有較高的運行效率，同時，當機械發生問題時，能及時發現。第二，變頻調速技術能夠減少設備維修，提高設備使用壽命，可重載啟動，還可節能。輸送機的軟啟動是通過變頻器的軟啟動得以實現，故此，啟動過程比較平滑，沒有太大的沖擊產生，從而使輸送機減少檢修與維護變頻調速技術的應用，其功率因數可超過0.9，在電機與減速器中，不再過多使用液力耦合器，但效率與之前相比較，卻增高了5%～10%。變頻調速技術憑借自身的優勢，其應用越來越成熟，在煤炭運輸機中的地位也越來越重要，給煤炭生產企業注入先進技術的同時，也提高了經濟效益。

3 煤礦刮板輸送機中變頻調速技術的應用

3.1 啟動階段

刮板輸送機進行啟動時，就會產生靜阻力，從而轉變為動阻力，在其作用下傳輸帶則會產生振動，此時傳輸截面中具有的動態張力就會持續上升，在其帶動下使刮板輸送機產生運動。在運輸啟動過程中，由于初始張力的增加值，即是刮板輸送帶的張力，所以變頻驅動就會對動力傳送帶輸入的切入點進行返回輸送[3-4]。

3.2 運輸階段

運輸階段也為額定轉速過程，是由啟動過程轉變而來，這一過程為逐級啟動過程。刮板輸送帶在開始工作時，系統中的交流電機就會有較大張力產生，并且各個位置所具有的靜阻力也不同，這就使煤礦刮板傳輸機的運行很不穩定。這時就需要用到變頻調速電氣系統，它能夠使電機工作電源的頻率發生改變，此時變頻器內部的濾波電容就會發揮其功能，將靜阻力和張力相應降低，從而提高了輸送機的功率。變頻調速電氣系統示意圖如圖1所示，主要由顯示屏、驅動單元、主控器以及主回路等部分組成。顯示屏，采用耐高溫LED顯示屏，利用通信線接收主控器傳輸的信息，并在LED顯示屏上進行顯示；驅動單元，主控器發出IGBT出發指令，驅動單元接收到信號后生成PWM信號，利用光纖對IGBT的關閉和導通進行控制；主控器，主要負責發送指令、處理和控制信息，為變頻部分的核心；主回路，采用交流-直流-交流變頻器。

3.3 控制階段

變頻器的拓撲結構、冷卻控制、變頻調速控制是技術控制階段的重要核心環節。對于變頻器拓撲結構（如圖2所示），由整流單元、主回路可恢復的快速短路保護系統、三電逆變單元以及輸出正弦波濾波器組成。對于冷卻控制，變頻器冷卻系統如圖3所示，冷卻系統通過外部冷卻水將內部散熱管道中去離子水的熱量帶走。對于變頻調速控制，當電機開始運行時，便通過驅動帶動刮板輸送機進行運轉，變頻調速器將供電電壓的頻率進行改變，從而也使輸送機的啟動轉速發生了改變，依據變頻器提前預設的時間范圍，使刮板輸送機的速度保持穩定的遞增狀態，由此使輸送機的電機壽命得以保證并延長，同時，也降低了輸送機在維修和保養方面的次數。

圖1 變頻調速電氣系統結構示意圖

圖2 變頻器拓撲結構示意圖

圖3 變頻器冷卻系統示意圖

3.4 應用案例

某煤礦采用SGZ-1000/2×700型刮板輸送機，輸送電源為1 140V，變頻器在輸出頻率為5～50Hz和50～60Hz時分別為恒扭矩和恒功率。變頻調速系統的額定電流為416 A，由2臺變壓器通過電纜（3×95mm2）將4路1 140 V電壓輸送至組合開關，為刮板輸送機的變頻調速系統供電。變頻調速技術的應用，實現了刮板輸送機的變頻啟動，啟動平緩，降低了對輪皮子的摩擦，減小噪音，有效降低了能耗和電能消耗。

4 結語

實際應用證明，變頻調速技術能夠降低輸送機系統的維護與損耗，提高煤礦企業的經濟效益和社會效益，因此，這項技術應大力推廣和應用。