變頻一體機在刮板運輸機上的實踐與應用

段成相　嚴學　吳云軍

摘要：煤礦綜采工作面刮板運輸機電機通常采用雙速電動機驅動系統，使用工頻直接啟動的方式，容易造成設備快速啟動，產生較大的機械沖擊和電氣沖擊，減少了設備的使用壽命。變頻一體機在刮板輸送機上的應用成為人們研究的熱點，變頻調速一體機的使用實現了煤礦工作面刮板輸送機變頻技術的應用，減輕了起動機械轉矩對設備的機械損傷，減少設備故障率，提高了煤礦生產效率。

Abstract： The two-speed motor drive system is usually used for the wiper transport motor of the comprehensive mining face of coal mine. It is easy to cause the equipment to start quickly by means of the direct start of the industrial frequency， which produces a large mechanical and electrical impact and reduces the service life of the equipment. The application of frequency conversion machine in scraper conveyor has become a hot spot in people's research. The use of frequency conversion speed adjustment machine has realized the application of frequency conversion technology of coal mine scraper conveyor， which has reduced the mechanical damage of starting mechanical torque to equipment and reduced equipment failure rate. The efficiency of coal mine production has been improved.

關鍵詞：變頻一體機;刮板運輸機;變頻技術;煤礦開采

Key words： frequency conversion machine;scratching transport aircraft;frequency conversion technology;coal mining

中圖分類號：TD63+4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）23-0191-02

1 ?概述

目前采煤工作面運輸機電機主要采用雙速電機，存在占用空間大、功率分配不均勻、故障率高、耗能高、綜合成本高等弊端。高壓變頻一體機是電機和變頻器高度集成的產品，能夠實現設備的重載軟啟、動態調速等功能，具備綜合成本低、抗干擾能力強、供電距離遠、具有斷鏈保護、可靠性高、免維護等優點，較雙速電機優勢非常明顯，通過合作設計變頻一體機并在工作面運輸機上應用，替換傳統雙速電機，在節能降耗、設備維護管理、降人提效、安全管理方面取得顯著效果。

2 ?變頻一體機主要構成、特點

高壓變頻一體機是電機和變頻器高度集成的產品，主要由變頻部分和電動機部分組成，其中變頻部分又由主電路、控制電路、驅動電路、顯示屏等組成。

主回路：變頻部分為電壓型交-直-交變頻拓撲結構。電源經接觸器、電抗器后通過六脈沖整流，然后由電力電容進行濾波穩壓，再經由 IGBT 組成的逆變電路，將直流電逆變成頻率、電壓均可調的交流電（即 VVVF 電源），電氣原理如圖1 所示。

控制電路：控制電路是變頻部分的心臟，各種信息的處理、控制以及指令的發送，都是由它來完成。它采集大部分實時信號，經過運算后產生 IGBT 的驅動信號，一方面通過光纖與驅動單元完成數據交換，另一方面把變頻器的各種信息處理后送到顯示屏顯示。并且接收外部操作指令控制一體機運行。

驅動電路：驅動單元接收主控器的 IGBT 觸發信號，并將 PWM 信號隔離放大，通過光纖信號控制 IGBT 導通和關斷時間。同時還進行電流、電壓及溫度等變量信息的預處理，可以及時對IGBT 進行保護。

顯示屏與指示燈 ：一體機非驅動端正面，有直流母線電壓指示窗，和顯示窗。內部裝有高耐溫的 LED顯示屏，能夠接收主控器發送的實時信息并顯示出來。一體機正常工作時，顯示直流母線電壓、變頻輸出電流、輸出功率和電機轉速等實時參數，當一體機報故障，采取保護動作時，顯示準確故障信息。另外 DC 指示窗左右兩個 LED 燈是指示直流母線是否帶電。

3 ?變頻一體機較雙速電機的創新點及優勢

3.1 安裝布局

雙速電機需要高速、低速2根電纜，變頻一體機只需要一電纜。

3.2 起動方式

雙速電機低速起動，高速切換，高低速起動都對電網有4-7倍電流沖擊。變頻一體機為變頻軟起動，電流大小據負載情況而定， 起動電流不會超過額定電流的1.5倍，對電網沒有沖擊。

3.3 對設備的保護

雙速電機需要增加限距器對機械部分進行保護，保護時間慢（秒級），對鏈條無法可靠保護。變頻一體機與減速箱采用直連方式，通過變頻器轉矩對機械部分進行保護，保護時間快（毫秒級），具有斷鏈和卡鏈保護。

3.4 速度調整

雙速電機低速起動，高速切換，不能調速。變頻一體機根據負荷情況可以靈活調整到任何速度。

3.5 在使用上

雙速電機使用轉矩大小受電壓波動及電源容量影響較大，特別是長距離供電影響較大，變頻一體機因電機和變頻器整合在一起，電壓容量、電壓波動對起動轉矩不大，在-15%～15%額定電壓可以正常工作。

3.6 檢修方便性

雙速電機檢修或接鏈等操作，需要配合液壓馬達進行且需要需要定期檢修，維護量大，每年進行一次大修，大修費用高。變頻一體機可以自行完成低速檢修、接鏈的工作，且3年免維護，基本不需要大修。

3.7 在節能上

雙速電機低速啟動、高速切換，速度不能調整，造成始終高速運行，能源消耗量大。變頻一體機電動機功率根據負載變化，特別是煤量較小時，輸出功率跟著降低，較雙速電機節能30-35%。

3.8 一體機性能指標及實現功能

①防爆性能：一體機和操作箱均符合國標GB3836等相關條款規定，防爆標志為Exd[ib]I Mb;

②一體機動力電和控制電接線方式為礦用隔爆電纜連接器的插接方式，動力電纜配套電纜快速插頭和快速插座;

③一體機的供水為一進一出，進出水口分別裝有KJ19的U形銷式快速管接頭陰端，用于與水管的快速插接;

④動力電纜進線長度除滿足壓降和電流外無特殊要求;

⑤一體機工作區間為一、三象限，適于大負荷、高轉矩的設備使用;

⑥一體機內部采用模塊化結構設計;

⑦一體機內部帶有LED中文液晶顯示屏，可以實時顯示刮板輸送機的運行狀態、直流電壓、功率器件溫度、輸出電流、功率和故障信息顯示，一體機各關鍵點溫度及故障信息等參數;

⑧一體機加減速時間0～1800s可調;

⑨一體機保護功能：短路、過載、過電壓、欠電壓、缺相、關鍵點過熱及電機繞組漏電等保護功能。

3.9 三機控制系統性能指標及實現功能

①控制箱可以控制兩臺刮板輸送機一體機的啟停、功率平衡和故障保護;

②實現刮板輸送機的正常運行模式和檢修模式兩種模式，可以分別設置兩種模式下的運行速度; 控制箱具有12寸大屏幕真彩顯示器，能夠顯示電流、電壓、功率、報警、故障等信息。

③配有大容量存儲卡記錄現場采集的數據，滿足1年數據存儲需要，具有電流、功率等曲線及故障信息分析功能。

④控制箱具有數據上傳功能，提供一路RS485接口用于數據上傳和遠程控制，通訊協議為ModBus RTU。

⑤系統具備在線故障診斷功能;

⑥設備具有機械與電氣閉鎖裝置，停電上鎖功能。

4 ?推廣應用前景及效益預測

我礦于2018年5月在7118工作面前部運輸機投入2臺變頻一體機，通過與雙速電機對比，綜合效益顯著。

4.1 能耗大幅降低

4.1.1 電力費用

目前按實施三六制作業（兩班生產一班檢修），按正常開機率90%計算，每月電能消耗節約12小時×90%×1050千瓦/小時×30天×30%×0.65元=66339元，每年電能消耗節約66339元×12=796068元。

4.1.2 電纜購置費用

較雙速電機能夠減少1根電纜投入，每個工作面節約電纜購置費用12萬元。變頻一體機不僅可投入到工作面運輸機，泵站、皮帶運輸機等設備都具備廣泛的推廣前景，如在全礦范圍、全集團公司全面推廣，節能效果在千萬級以上。

4.2 修理費用大幅下降

①變頻一體機能夠實現3年免維護。

②普通雙速電機每年至少需要投入一次大修，大修金額每臺按10萬元考慮，每年至少需投入修理費用20萬元，2臺電機3年需60萬元。

5 ?結語

通過使用變頻一體機，日常維護工作量減少，對設備起到非常好的保護作用，減速箱、鏈輪損壞大幅降低，沒有出現斷鏈現象，機械事故基本為零，始終處于良好工作狀態。原采用雙速電機，一個工作面生產周期需更換電機、減速箱、鏈輪不低于2次，保守估計降低修理、人工費用投入30萬元。煤礦系高危行業，發展的趨勢是智能化、無人化，變頻一體機具備高可靠性、免維護性，能夠有效減少維修人員數量，在減人提效方面效果顯著，能夠深入推進煤礦安全管理。

參考文獻：

[1]王國法.高效綜合機械化采煤成套裝配技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2008.

[2]王國法.煤礦綜采自動化成套技術與裝備創新和發展[J].煤炭科學技術，2013，41（11）.

[3]青島中加特變頻電機有限公司.YJVFG系列礦用隔爆兼本質安全型高壓變頻一體機使用說明書[D].青島：青島中加特變頻電機，2017.

[4]張振偉.礦用隔爆型變頻一體機設計與分析[D].山東大學碩士論文，2015.