利德華福高壓變頻器在天地王坡煤礦皮帶機上的應用

　　一、前言

　　皮帶機在煤礦的使用非常普遍。皮帶機上的皮帶是一個彈性體，因此，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，大功率皮帶機必須加設軟啟動裝置。目前煤礦采用的軟啟動裝置絕大部分是液力耦合器。還有使用CST的(集變速箱，耦合器，電液控制為一體)。液力耦合器(液耦)雖然能部分解決皮帶機的軟啟動問題，但還是存在維護工作量大，能耗高，對皮帶強度要求高等弊端。隨著高壓變頻技術的不斷進步和完善，已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)液耦的位置。

　　二、用戶簡介

　　山西天地王坡煤業(yè)有限公司是由天地科技股份有限公司、山西省澤州縣國有資產(chǎn)管理處和煤炭科學研究總院共同出資組建的有限責任公司，位于煤炭資源儲量豐富的山西省晉城市澤州縣境內(nèi)，距晉城市區(qū)約28公里，井田面積29.23平方公里，可采儲量2.2億噸，是山西省、晉城市“九五”期間的重點工程項目之一，礦井年設計規(guī)模為150萬噸。如圖1所示：

　　圖1、天地王坡煤礦辦公樓

　　三、應用現(xiàn)場皮帶機系統(tǒng)基本情況介紹

　　皮帶機廣泛應用于礦山、冶金、煤炭等部門，是煤礦的關鍵設備，它肩負著礦井上下輸送松散物料或成件物品的重任。根據(jù)輸送工藝要求，可以單臺輸送，也可多臺組成或與其他輸送設備組成水平或傾斜的輸送系統(tǒng)，以滿足不同布置型式的作業(yè)線需要。

　　天地王坡煤礦的皮帶機，由兩臺電機拖動(2×1400kW)，電機配置在機頭。如圖2所示：

　　圖2雙機驅(qū)動示意圖

　　主要參數(shù)如下

　　皮帶機參數(shù)：

　　輸送量Q=1800t/h;輸送長度L=1160m;傾角θ=17°;帶寬B=1200mm;帶速V=4.5m/s;膠帶ST4000;安全系數(shù)m=7.34;功率P=1400×2kW;最大張力S=653570N

　　電機參數(shù)：

　　型號YB710S2-4;頻率范圍5-50HZ;功率1400kW;電壓6000V;電流159.5A;功率因數(shù)0.88

　　圖3皮帶機改造現(xiàn)場

　　四、煤礦皮帶機變頻調(diào)速系統(tǒng)方案設計

　　首先簡要分析在拖動皮帶機配置上，傳統(tǒng)液耦的劣勢及高壓變頻器的優(yōu)勢。

　　傳統(tǒng)液耦存在的弊端如下：

　　1、采用液耦，電動機必須先空載啟動。工頻啟動時，最初的電流很大，為電動機額定電流的4～7倍。啟動瞬間電流會在啟動過程中產(chǎn)生沖擊，引起電動機內(nèi)部機械應力和熱應力發(fā)生變化，對機械部分造成嚴重磨損甚至損壞。同時還將引起電網(wǎng)電壓的下降，影響到電網(wǎng)內(nèi)其他設備的正常運行，因此，大容量的皮帶機還必須附加電動機軟啟動設備。如：水電阻;

　　2、液耦長時間工作時會引起液體溫度升高，熔化金合塞，還會引起漏液，增大維護工作量，污染環(huán)境;

　　3、采用液耦時皮帶機的加載時間較短，容易引起皮帶張力變化，因此對皮帶帶強度要求較高;

　　4、一般的皮帶機都是長距離大運量，通常都是多電機驅(qū)動，采用液耦驅(qū)動很難解決多電機驅(qū)動時的功率平衡問題。

　　采用高壓變頻器對皮帶機進行驅(qū)動的優(yōu)勢如下：

　　1、真正實現(xiàn)皮帶機軟啟動。通過電機慢速啟動帶動皮帶機緩慢啟動，將膠帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，可將輸送機啟停時產(chǎn)生的沖擊減至最小，幾乎對膠帶不造成損害;

　　2、降低膠帶帶強。由于變頻器啟動時間可以在1～3600s內(nèi)調(diào)整，皮帶機啟動時間通常在60～200s內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場情況設定。啟動時間延長大大降低對帶強的要求，減少設備初期投資。實際應用中，由于降低了啟動沖擊，機械系統(tǒng)的損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒壽命大大延長;

　　3、實現(xiàn)皮帶機多電機驅(qū)動時的轉(zhuǎn)矩平衡。應用變頻器對皮帶機驅(qū)動時可以采用一拖一控制，多電機驅(qū)動時采用主從或協(xié)調(diào)柜控制方式，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡;

　　4、驗帶功能。低速驗帶功能是皮帶機檢修的要求。變頻調(diào)速系統(tǒng)為無極調(diào)速的交流傳動系統(tǒng)，在空載驗帶狀態(tài)下可調(diào)整0～100%額定帶速范圍內(nèi)的任意帶速;

　　5、平穩(wěn)的重載啟動。變頻器低頻運轉(zhuǎn)可輸出2.2倍額定力矩，適于重載啟動;

　　6、自動調(diào)速。變頻器配合煤流傳感器可以根據(jù)負載輕重自動調(diào)節(jié)膠帶速度，節(jié)電的同時還減少了膠帶的磨損;

　　7、節(jié)能。對應于煤礦的特殊生產(chǎn)條件，有時，煤的產(chǎn)量是極不均勻的，當然皮帶機系統(tǒng)的運煤量也是不均勻的，在負載輕或無負載時，皮帶機系統(tǒng)的高速運行對機械傳動系統(tǒng)的磨損浪費較為嚴重，同時電能消耗也較低速運行大的多，但因生產(chǎn)的需要皮帶機系統(tǒng)又不能隨時停車，采用單獨的控制系統(tǒng)對前級運輸系統(tǒng)的載荷、本機運輸系統(tǒng)的載荷進行分別測量，這樣可控制變頻器降速或提前升速。對于載荷不均的皮帶機系統(tǒng)，可節(jié)約電能、降低皮帶的磨損。

　　其次介紹一下皮帶機采用變頻系統(tǒng)控制，可以選擇的不同控制方案。

　　皮帶機由多臺電機拖動時，由于各電機輸出是通過皮帶耦合在一起的，因此需要考慮協(xié)調(diào)控制問題。根據(jù)電機學原理，對于滑差0.01的電機，變頻器輸出頻率相差0.2%時，將會導致約20%的輸出轉(zhuǎn)矩不平衡，在輕載時，變頻器少量的輸出頻率差別，還會導致輸出頻率較低的變頻器進入能量回饋狀態(tài)，進而發(fā)生過壓故障。因此一般需要采取有效的控制手段，平衡各電機出力。

　　在實際應用中，根據(jù)現(xiàn)場配置和要求不同，可選擇如下3種驅(qū)動方案：

　　1、對于功率較小(一般單機額定電流在50A以下)，電機數(shù)量較少(一般不超過3臺)，低成本應用場合，可以選擇一拖多并聯(lián)運行方案;

　　2、對于需要主動進行各電機出力均衡控制的場合，如果電機數(shù)量較少，距離較近，系統(tǒng)構成較簡單，可采用主-從控制方案;

　　3、如果電機數(shù)量較多，或者相距較遠、系統(tǒng)較復雜，可采用統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制方案。

　　一拖多運行方式。多臺電機由一臺變頻器拖動，可以保證多臺的轉(zhuǎn)速相同，電機根據(jù)其滑差特性分配負載轉(zhuǎn)矩，需要各電機參數(shù)較為一致。此種方式下，由于電機直接并聯(lián)運行，因此變頻器無法控制各電機的出力平衡，各電機出力的平衡性由電機特性差異、滾筒直徑差異、皮帶包絡角差異等因素決定。該方案系統(tǒng)成本最低，但變頻器故障將導致皮帶系統(tǒng)無法運行，因而不太適用于考慮電機冗余配置的場合。以雙機運行為例的主回路結(jié)構圖如圖4所示，圖中工頻旁路為可選配置。

　　圖4一拖二并聯(lián)運行方案系統(tǒng)結(jié)構

　　對于需要進行各電機出力均衡主動控制的場合，如果電機數(shù)量較少(一般不超過6臺)，各電機距離較近(一般不超過50米)，系統(tǒng)構成較簡單，可以采用多機主-從一拖一控制運行方案。此種方式支持N+1冗余系統(tǒng)配置，即任意1臺變頻器或者電機發(fā)生故障時，不破壞主-從控制架構，在皮帶系統(tǒng)允許的情況下，可以依靠剩余的變頻器和電機繼續(xù)驅(qū)動皮帶運行。每臺電機由一臺變頻器拖動，運行在矢量控制方式下。其中一臺變頻器作為主機，接收來自用戶上位控制系統(tǒng)的信號，負責皮帶系統(tǒng)的速度控制和整體邏輯控制;其余的變頻器作為從機，接收來自主變頻器的轉(zhuǎn)矩給定信號和邏輯控制信號，并向主變頻器報告自身的狀態(tài)。由于各變頻器執(zhí)行相同的轉(zhuǎn)矩給定信號，因此各電機的輸出轉(zhuǎn)矩相同。該方案的特點是，系統(tǒng)配置簡單、可靠，能夠滿足N+1的電機配置要求，能夠完成主動的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制，使各電機出力相同。此系統(tǒng)架構如圖5所示：

　　圖5主從一拖一控制方案系統(tǒng)結(jié)構

　　對于需要進行各電機出力均衡主動控制的場合，如果電機數(shù)量較多，或者各電機距離較遠，系統(tǒng)構成較復雜，或者需要N+2以上的冗余配置，可以采用多機統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制運行方案。此種方式下，每臺電機由一臺變頻器拖動，運行在矢量控制方式下。專設一臺協(xié)調(diào)控制柜，協(xié)調(diào)控制柜接收來自上位控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速給定信號和起停邏輯信號，以及來自現(xiàn)場的轉(zhuǎn)速反饋信號，負責皮帶系統(tǒng)的速度控制和整體邏輯控制。各變頻器均作為從機，接收來自協(xié)調(diào)控制柜的轉(zhuǎn)矩給定信號和邏輯控制信號，并向協(xié)調(diào)控制柜報告自身的狀態(tài)。因為各變頻器執(zhí)行相同的轉(zhuǎn)矩給定信號，故各電機的輸出轉(zhuǎn)矩相同，由于各變頻器地位相同，因此能夠?qū)崿F(xiàn)多機系統(tǒng)的冗余設計。該方案的特點是控制策略靈活，能夠滿足用戶現(xiàn)場各種實際需求，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。此系統(tǒng)架構如圖6所示：

　　圖6協(xié)調(diào)柜控制方案系統(tǒng)結(jié)構

　　五、現(xiàn)場高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及采用的控制方案介紹

　　現(xiàn)場采用兩套北京利德華福電氣技術有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-VA06/180系列矢量控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，額定電壓6kV，額定電流180A，額定功率1400kW。如圖7所示：

　　圖7高壓變頻器現(xiàn)場安裝情況

　　該系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，以高可靠性、易操作、高性能為設計目標，滿足用戶對于礦用負載調(diào)速節(jié)能、改善生產(chǎn)工藝的迫切需要;為了最大限度的縮短高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)安裝和改造的施工周期，系統(tǒng)采用了一體化設計的理念，包括變壓器柜、功率柜、控制柜等所有部件及內(nèi)部連線，用戶只須連接高壓輸入、高壓輸出、低壓控制電源和控制信號線即可。在先進的生產(chǎn)和管理環(huán)境中，整套系統(tǒng)在出廠前已進行整體測試，確保每一臺出廠設備的質(zhì)量和性能。

　　為了適用改造項目的需要和降低新建項目的投入，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的每一個功能部件可以分步進行安裝，確保了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)不會在運輸和安裝過程中出現(xiàn)意外，方便的前后維護方式、靈活多樣的散熱方式、高性能的重要進口元器件、先進的生產(chǎn)工藝大大的降低了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對現(xiàn)場環(huán)境的要求。

　　其主回路如圖8所示(圖中n代表級數(shù))：

　　圖8系統(tǒng)原理圖

　　HARSVERT-VA系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)本體由變壓器柜、功率柜及控制柜組成。如圖9所示：

　　圖9高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)示意圖

　　對于兩機驅(qū)動的皮帶機變頻控制，為了有效實現(xiàn)電機的負載平衡控制，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)適宜采用主-從方式進行控制。一臺變頻器作為主控，發(fā)出輸出轉(zhuǎn)矩給定值，控制另一臺高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步運行。各高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)僅對電機的轉(zhuǎn)矩進行控制，從控電機的轉(zhuǎn)速是不可控量，由物理系統(tǒng)的實際特性決定運行兩臺電機的速度匹配。如圖10所示，主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制1#電機的轉(zhuǎn)速，并給出兩臺電機的輸出轉(zhuǎn)矩給定值，從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)收到的電機輸出轉(zhuǎn)矩給定值控制2#電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

　　圖10主-從控制結(jié)構負載平衡控制示意圖

　　變頻器采用無速度傳感器矢量控制技術，對電機轉(zhuǎn)速的精度控制在0.5%以內(nèi)，如果需要電機需要更高的控制精度，可以采用速度傳感器，控制精度在0.1%以內(nèi)。

　　主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)均有外部信號連鎖控制和狀態(tài)、報警邏輯信號輸出，主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)接收本地或者遠程的“啟動”、“停機”和“緊急停機”指令，以及來自從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“緊急停機”指令，從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)接收來自主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“啟動”和“緊急停機”指令，同時接收從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)本地或者遠程聯(lián)動的“緊急停機”指令。

　　在兩臺高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的PLC邏輯程序中進行邏輯互鎖，使得兩臺高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時啟動，同時停機。如圖11所示：

　　圖11主-從一拖一控制反饋信號示意圖

　　六、總結(jié)

　　皮帶機的驅(qū)動系統(tǒng)采用北京利德華福電氣技術有限公司生產(chǎn)的全數(shù)字交流高壓變頻器，不但提高了生產(chǎn)效率和系統(tǒng)的綜合可靠性，降低了能耗，而且達到了現(xiàn)場安裝方便、運行性能安全良好的效果。實踐證明，利用技術先進、成熟安全的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以全面實現(xiàn)高效調(diào)節(jié)現(xiàn)場工況，提高系統(tǒng)自動化程度，節(jié)約電能的目的。使用高壓變頻器可以大大降低現(xiàn)場維護量，帶來可觀的效益，切實響應國家節(jié)能降耗的號召，值得大力推廣。