10 kV防爆高壓變頻器在主煤流系統(tǒng)上的應(yīng)用

許隨利　秦志強(qiáng)

摘 要：為解決趙固二礦西膠帶大巷帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流和啟動(dòng)力矩大、驅(qū)動(dòng)電機(jī)損壞較為頻繁的難題，改造使用BPBJV-1600/10型10 kV防爆高壓變頻器。本文介紹了10 kV防爆高壓變頻器在主煤流輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用方案、調(diào)速控制策略及運(yùn)行數(shù)據(jù)分析。實(shí)踐證明，改造后的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備平穩(wěn)啟停，降低了設(shè)備故障率，減少了電能消耗，提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：防爆高壓變頻器;功率平衡;軟啟停控制;節(jié)能

中圖分類號(hào)：TD528.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）07-0076-03

Abstract： A 10 kV explosion-proof high-voltage inverter of model BPBJV-1600/10 had been applied to the belt conveyor of the West Belt Road of Zhaogu No.2 Coal Mine to solve the problems of large starting current and torque and frequent damage to the drive motor when the conveyor starts. The application scheme， speed control strategy and operation data analysis of the explosion-proof high-voltage inverter in the main coal flow transmission system were introduced. It has been proved by practice that the reformed system can realize the smooth start and stop of the equipment， reduce the failure rate of the equipment， reduce the power consumption and improve the operation reliability of the system.

Keywords： explosion-proof high-voltage inverter;power balance;soft start and stop control; energy saving

趙固二礦西膠帶大巷帶式輸送機(jī)主要負(fù)責(zé)礦井西部采掘工作面的原煤運(yùn)輸工作，帶式輸送機(jī)型號(hào)為DTL140/300/3×710，帶寬1 400 mm，運(yùn)輸能力3 000 t/h，帶速4 m/s，巷道坡度4.7°～16°，軟啟動(dòng)方式為10 kV高壓磁力起動(dòng)器配合恒充式液力耦合器。采用該啟動(dòng)器的原因是使用液力耦合器啟動(dòng)時(shí)電流過大，啟動(dòng)力矩大，損壞電機(jī)較為頻繁。14030一次采全高工作面投產(chǎn)后，西膠帶負(fù)荷增大，系統(tǒng)運(yùn)行不確定性因素增加，無法保證生產(chǎn)性。

為解決上述難題，趙固二礦于2019年5月開始對(duì)西膠帶大巷帶上輸送機(jī)供電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行改造，投運(yùn)10 kV防爆高壓變頻器，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備平穩(wěn)啟停，降低了設(shè)備故障率，節(jié)約了電能消耗，提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性[1]。

1 西膠帶變頻改造技術(shù)方案

1.1 現(xiàn)場(chǎng)工況介紹

趙固二礦西膠帶大巷輸送機(jī)原系統(tǒng)由3臺(tái)710 kW/10 kV電機(jī)拖動(dòng)，原電機(jī)調(diào)速設(shè)備為軟啟動(dòng)器系列。由于在運(yùn)行過程中使用軟啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流過大，損壞電機(jī)較為頻繁，為確保生產(chǎn)穩(wěn)定性，考慮改用變頻控制方案。考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，配置BPBJV-1600/10型10 kV防爆高壓變頻器，采用一拖二形式，2臺(tái)10 kV防爆高壓變頻器采用同步控制。

1.2 10 kV防爆高壓變頻器技術(shù)的先進(jìn)性

BPBJV-1600/10型10 kV防爆高壓變頻器由隔爆外殼、48脈波整流移相變壓器、功率單元、主控制系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)構(gòu)成，是基于先進(jìn)矢量控制技術(shù)的超低諧波高壓變頻器，可以較好地滿足煤礦井下輸送設(shè)備10 kV防爆電動(dòng)機(jī)的調(diào)速軟啟軟停控制需要。該變頻器具有以下技術(shù)要點(diǎn)。

①采用最新一代矢量控制的力矩控制模式，可實(shí)現(xiàn)低速大力矩，允許更高的過載和啟動(dòng)力矩，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快[2]。

②采用48脈沖超低諧波移相整流技術(shù)和多重化整流技術(shù)、多電平逆變技術(shù)，變頻器輸入側(cè)電壓諧波失真率小于2%，變頻器輸出波形接近完美正弦波，實(shí)現(xiàn)綠色變頻控制。

③具備功率平衡和軟啟軟停控制功能，通過光纖及優(yōu)異的功率平衡算法控制電機(jī)輸出功率平衡，加/減速度時(shí)間在4～360 s可調(diào)。

③優(yōu)化了基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的主煤流輸送系統(tǒng)煤量估算公式，能根據(jù)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩自動(dòng)估算輸送機(jī)上的煤量，并進(jìn)行智能調(diào)速;通過連續(xù)分析某一時(shí)段內(nèi)電流或轉(zhuǎn)矩值得出當(dāng)前皮帶上的煤量，然后理論計(jì)算出皮帶最佳運(yùn)行頻率，并控制變頻器按照此頻率運(yùn)行。

1.3 10 kV防爆高壓變頻器改造電氣技術(shù)方案

如圖1所示，1#、2#變頻裝置為BPBJV-1600/10型10 kV防爆高壓變頻器，保留現(xiàn)場(chǎng)原有帶式輸送機(jī)控制箱時(shí)，增加一個(gè)帶式輸送機(jī)變頻集控系統(tǒng)。該集控系統(tǒng)可根據(jù)工藝需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)2臺(tái)變頻裝置的主從控制設(shè)置，完全滿足用戶現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求。

每臺(tái)BPBJV-1600/10型10 kV防爆高壓變頻器可控制2臺(tái)電機(jī)，即控制方案為一拖二。2臺(tái)BPBJV-1600/10型10 kV防爆高壓變頻器之間通過主從光纖連接，實(shí)現(xiàn)主從通信和主從控制，達(dá)到電機(jī)同步啟停、同步調(diào)速、功率平衡的目的。

變頻器命令模式主要有本地與遠(yuǎn)控兩種：本地模式就是變頻器的啟停操作及速度給定通過變頻器的觸摸屏控制，遠(yuǎn)控就是通過硬接點(diǎn)或通信給定。變頻器控制模式有獨(dú)立主機(jī)或從機(jī)模式。BPBJV-1600/10型10 kV防爆高壓變頻器同步控制方式采用主從控制方式，由主機(jī)接收防爆控制箱命令，從機(jī)根據(jù)主機(jī)狀態(tài)及命令調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變頻裝置同步運(yùn)行。

2 10 kV防爆高壓變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

BPBJV-1600/10型10 kV防爆高壓變頻器在2019年6月6日開始下井進(jìn)行安裝調(diào)試，并于2019年6月20日開始正式投入生產(chǎn)運(yùn)行，在后續(xù)運(yùn)行中逐步調(diào)試完成變頻器所有驅(qū)動(dòng)模式和功能，在近6個(gè)月運(yùn)行中，穩(wěn)定性良好。變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)過程中，加速平穩(wěn)，下面主要通過對(duì)變頻器加速過程與穩(wěn)定運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析繪制出運(yùn)行電流與運(yùn)行電壓的數(shù)據(jù)曲線。

在主從變頻器驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行模式下，選取一個(gè)時(shí)間段對(duì)2臺(tái)變頻器（一拖一）同步驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析，分別繪制出主從機(jī)在加速過程與運(yùn)行過程中電流電壓及頻率曲線。圖2是主機(jī)和從機(jī)在加速過程中電流與頻率曲線，圖3是主從機(jī)電壓在加速過程中的電壓曲線。

從圖1與圖2可以看出，主從機(jī)在啟動(dòng)加速過程中電流與電壓曲線基本處于平衡狀態(tài)，啟動(dòng)電流相對(duì)于直接啟動(dòng)電流小很多，電機(jī)加速也非常平穩(wěn)，輸出電壓與輸出頻率成線性正相關(guān)。在運(yùn)行到全頻時(shí)，主從機(jī)電流波動(dòng)在2 A之內(nèi)，如此電機(jī)在牽引滾筒驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的過程中帶式輸送機(jī)的張緊度處于動(dòng)態(tài)平衡中，不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)滾筒拖拽另一個(gè)滾筒的現(xiàn)象。

接下來將選取一段在同步穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的電壓和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過圖4與圖5來反映主從機(jī)輸出電流與電壓的動(dòng)態(tài)平衡。

從圖4可以看出，主機(jī)電流與從機(jī)電流在穩(wěn)定運(yùn)行過程中基本都在16～18 A波動(dòng)。從圖5可以看出，主從機(jī)輸出電壓曲線基本在一個(gè)水平線平衡波動(dòng)。

以上選取了2臺(tái)變頻器（一拖一）同步驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)（同步雙驅(qū)）運(yùn)行模式的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分別繪制了在加速過程及穩(wěn)定運(yùn)行中電流、電壓曲線。變頻器一拖二模式與一拖一模式原理相同，區(qū)別在于電機(jī)的總額定功率增加了一倍，電流曲線在單驅(qū)模式基礎(chǔ)上會(huì)相應(yīng)增加一倍。變頻器三驅(qū)同步模式（主機(jī)一拖二，從機(jī)一拖一）與同步雙驅(qū)模式（主從都是一拖一）的電流曲線也是基本相同：?jiǎn)螜C(jī)電機(jī)運(yùn)行電流誤差在2 A之內(nèi)。

3 10 kV防爆高壓變頻器節(jié)能分析

10 kV高壓防爆變頻器采用負(fù)載自適應(yīng)調(diào)速節(jié)能控制策略，在采集和分析主煤流輸送系統(tǒng)以往運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際主煤流輸送系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的主煤流輸送系統(tǒng)煤量估算公式，能根據(jù)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩自動(dòng)估算輸送機(jī)上的煤量并智能調(diào)速。根據(jù)檢測(cè)的實(shí)際負(fù)荷比例判斷將皮帶輸出的檔位分為高、中、低三檔，在負(fù)載達(dá)到所設(shè)定負(fù)載比例及檢測(cè)時(shí)間后，調(diào)速到對(duì)應(yīng)的速度檔位，有助于帶式輸送機(jī)的節(jié)能降耗，提高電能的使用效率。

目前，西膠帶大巷帶式輸送機(jī)運(yùn)行模式為主從變頻器帶2臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行模式。14030工作面正常生產(chǎn)期間，2臺(tái)電機(jī)負(fù)荷電流在20～25 A，根據(jù)實(shí)時(shí)煤量檢測(cè)調(diào)整帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度，西膠帶四點(diǎn)班、零點(diǎn)班低煤量運(yùn)行時(shí)間約2.5 h，八點(diǎn)班低煤量運(yùn)行時(shí)間約3 h。按照低煤量時(shí)運(yùn)行速度降低、符合率降低30%計(jì)算，每月可節(jié)約電能消耗為：

西膠帶10 kV防爆高壓變頻器投運(yùn)后，預(yù)計(jì)每月可節(jié)約電費(fèi)消耗4.24萬元，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約電費(fèi)消耗50.88萬元。

4 結(jié)語

通過大量的實(shí)際數(shù)據(jù)分析，10 kV防爆高壓變頻器在西膠帶大巷帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能降耗上有著十分重要的作用與意義。項(xiàng)目推廣應(yīng)用將為煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)智慧化礦山、節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障，促進(jìn)煤炭行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1]王廷才.變頻器原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]張選正.變頻器應(yīng)用技術(shù)與實(shí)踐[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.