變頻一體電機在綜采面刮板運輸機上的應用

靳張浩

（晉城藍焰煤業股份有限公司成莊礦，山西 晉城 048000）

隨著高功率、高電壓變頻設備應用領域的不斷擴展，變頻驅動設備在節能、維護、智能控制等多方面優勢備受矚目，煤礦逐步開始在通風、皮帶等關鍵設備上采用變頻驅動。然而，綜采工作面由于受到惡劣的環境條件限制、機頭機尾空間受限等諸多因素制約，加之礦井所需變頻設備往往功率較大，前期核心器件研發滯后影響，現場仍在使用設備結構復雜、耗能較高、維護成本偏高的液力耦合器設備。近年來，變頻設備核心器件迎來高速發展期，變頻器的額定功率已達3 300 V，2 000 kW，促使變頻驅動設備在大功率刮板運輸機上的應用成為現實[1-3]。

1 技術現狀

目前，成莊礦綜采工作面使用SGZ1000/3×855 型刮板運輸機，配合562DTPKWL2 型液力耦合器。日常使用過程中存在損耗和維修量大，運營成本高，缺少速度控制等諸多缺點。與先進的變頻設備相比，液力耦合器存在影響礦井高效生產的突出問題主要有： 液力耦合器組件復雜，維護困難；液力耦合器的主要傳動媒介是液體，對傳動液質量要求較高，使用過程中消耗量大，需要頻繁更換傳動液，制約現場生產；液力耦合器存在軟啟動和功率平衡效果不良，現場需通過大功率驅動方能實現重載啟動。針對上述存在問題，提出綜采工作面刮板運輸機變頻電機一體化技術，研發新型變頻一體機，適應綜采工作面惡劣環境，解決液力耦合器維護困難等諸多弊端，提高工作面生產效率[4-5]。

2 變頻一體機構成

針對現有刮板運輸機驅動部進行優化設計與技術改進，維持運輸機機頭與機尾構件現狀的基礎上，引進德國保越3 300 V 的變頻電機一體化裝備來替代現有的驅動裝備，取代原電機+ 液力耦合器的驅動方式，同時配備控制裝備，實現驅動的集中控制及多機功率平衡，解決多點功率不平衡的問題。升級完成后，電機功率應根據現場刮板運輸機能力進行優化選型，輸送能力應不低于2 500 t/h，滿足現場正常使用[6]。

2.1 變頻器

變頻器采用inverter (electronic power stage)逆變器，輸入額定電壓3 300 V，額定頻率50 Hz；輸出頻率0～120 Hz，容量1 000 kVA，輸出電流200 A。其控制方式采用V/F 或直接轉矩控制，控制電源為127 V 電源外供； 電容- 額定電壓為3 000 V DC，電容-放電時間為30 min。

2.2 變頻一體電機

新型變頻一體電機可實現線性調速，其最大可輸出2.2 倍啟動轉矩，可在短時間內可無限次數啟動，還可通過布置傳感器實時監測電機各個部位的溫度，確保各個驅動之間自動保持功率平衡。減速器型號KPL（PL）-45，通過連接罩筒+ 梅花形彈性聯軸器與一體機相連接。冷卻水要求進水溫度15℃～40℃，壓力10～20 bar，流量不低于25 L/min。改造完成后，節能大約20%～30%；刮板輸送機可完全實現從0～100%的速度控制；1 600 kW 電機僅需要最大30 L/min 的冷卻水量；電機體積符合現場實際的需求。新型變頻一體機外觀如圖1 所示。

圖1 變頻一體機外觀

2.3 邏輯控制

工作面刮板運輸機系統控制邏輯分為以下兩種，工作面三機啟動邏輯順序如圖2 所示。

圖2 工作面三機啟動順序

（1）工作面可實現破碎機、轉載機、變頻一體機連鎖啟停。由控制器發出啟動指令前預先檢測順槽皮帶給工作面的連鎖信號，如有信號控制器發出啟動指令后，先后依次啟動破碎機、轉載機、變頻一體機；如未檢測到連鎖信號，嚴禁工作面啟動三機；信號控制器發出停止指令后，先后依次停止變頻一體機、轉載機、破碎機；破碎機、轉載機、變頻一體機之間的啟動或停止時間可根據現場需要通過修改控制器參數實現。

（2）根據現場需求，工作面可實現單臺啟停（破碎機、轉載機、變頻一體機單臺啟停）。

2.4 變頻一體機的優勢

（1）速度調整：變頻一體機根據現場負荷情況可以實現運行速度的任意調整。

（2）使用便捷：變頻一體機經特殊工藝預先將電機與變頻器整合在一起，在-15%～15%額定電壓范圍內，變頻電機均可正常運行，現場電壓波動對刮板機轉矩影響較小。

（3）檢修方便：變頻一體機3 年內免維修，維修周期長；同時，設備啟動前可自行完成低速檢修、拉鏈工作；設備構造簡單，組件較少，維修方便。

（4）節能降耗：變頻一體機電機功率可根據現場負載情況實時調整，工作面煤量較少時，輸出功率隨之降低，較普通電機可節能30%～35%。

3 效果分析

3.1 工業性試驗

項目先期在地面進行設備組裝配套并調試成功后，隨后入井在成莊礦4321 綜采工作面進行安裝?，F場調試完畢后，隨即進行井下試運行。井下試驗環境惡劣，設備處于潮濕高溫多塵的環境中，相對環境濕度92%，最高溫度+40℃。4321 綜采工作面改造完成的變頻一體機及相應的配套控制系統在現場應用效果良好，刮板運輸機變頻電機成功在井下連續進行300 m 回采作業?，F場變頻一體機加速時間在0～1 800 s 范圍內連續可調，實現了刮板運輸機安全平穩啟動，降低了機械沖擊和電氣沖擊事故發生率，保護了現場作業人員安全，重載重啟轉矩如圖3 所示。

圖3 重載重啟轉矩

3.2 經濟效益

新型變頻一體機在4321 綜采工作面成功應用后，刮板運輸機啟動實現軟啟動，設備啟動階段更加平穩可靠，刮板運輸機整體故障率得到明顯降低。采用原562DTPKWL2 型液力偶合器驅動時，刮板運輸機平均故障次數控制在7 次/ 年，影響工作面生產平均時長6 h/ 次；應用新型變頻一體機后，刮板運輸機平均故障次數降低至2 次/年，影響工作面生產平均時長3 h/ 次，變頻一體機的成功應用為整個工作面的安全高效生產奠定了堅實的基礎。變頻一體機的投入使用可通過縮減設備列車長度降低煤柱損失，按300 m 長工作面計算，單個工作面減少10 m 的煤柱損失，可增加2 萬噸的煤炭產量，經濟效益顯著。

4 結論

1）現場將工業領域成熟的變頻技術應用于大功率高壓電機上，成功實現大功率重型裝備真正意義上的“軟啟動”，滿足4321 綜采工作面極端惡劣環境下刮板運輸機各種運行工況下的特殊需求。

2）采用集成控制技術，刮板運輸機可實現低速重載啟動、無級調速、節能降耗、多功率平衡、遠程集中控制與數據實時通訊等功能，充分發揮變頻一體機驅動技術的優越性。