煤礦帶式輸送機(jī)啟動(dòng)控制方式的探討

1、煤礦帶式輸送機(jī)啟動(dòng)控制方式的探討摘要：對井下長距離、大運(yùn)量、多滾筒驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)控制方式進(jìn)行了分析，在比較調(diào)壓式軟啟動(dòng)器、液力耦合器、CST可控軟啟動(dòng)器等常見帶式輸送機(jī)啟動(dòng)器的基礎(chǔ)上，提出使用高壓變頻器對皮帶機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻起動(dòng)、自動(dòng)調(diào)速及控制，可顯著節(jié)約電能，降低膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備損耗，延長皮帶使用壽命。對高壓變頻器提出使用中心點(diǎn)鉗位型三電平逆變器，可使輸出電壓波形更接近正弦波，諧波失真更小，使帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)控制更加平滑。關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī)；軟啟動(dòng)器；高壓變頻器；三電平中圖分類號(hào)：TD712.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-1098（2012）03-0046-04隨著煤礦生產(chǎn)技術(shù)

2、的不斷發(fā)展，裝備自動(dòng)化水平的不斷提高，煤炭產(chǎn)量也大幅增長，長距離、大運(yùn)量、多滾筒驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)在煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，是現(xiàn)代化煤礦高產(chǎn)高效的主要運(yùn)輸設(shè)備之一，如何解決煤礦皮帶機(jī)系統(tǒng)傳動(dòng)效率低、起動(dòng)電流大，對電網(wǎng)沖擊及機(jī)械設(shè)備沖擊大、功率不平衡、維護(hù)成本高等問題，是帶式輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮的問題，而礦井生產(chǎn)條件的特殊性，使帶式輸送機(jī)時(shí)常處于輕載或無負(fù)載，且由于生產(chǎn)的需要，運(yùn)輸系統(tǒng)不能隨時(shí)停車，因此，選擇合理的啟動(dòng)方式，采用先進(jìn)的調(diào)速技術(shù)，對礦井安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。1帶式輸送機(jī)常用啟動(dòng)控制方式1.1軟啟器軟啟動(dòng)器由三組反并聯(lián)大功率晶閘管及其電子控

3、制電路組成，并由速度反饋和電流反饋組成雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角控制負(fù)載的初始電壓，逐步控制加在電機(jī)上的電壓和電流，平滑地增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過旁路接觸器短接晶閘管軟啟動(dòng)器，使電機(jī)全壓運(yùn)行。其優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)啟動(dòng)平滑，可以降低電機(jī)的啟動(dòng)沖擊電流，減少對電網(wǎng)和電機(jī)自身的沖擊以及電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對皮帶的動(dòng)張力，延長皮帶使用壽命。缺點(diǎn)為不能調(diào)節(jié)電源頻率，重載時(shí)往往不能啟動(dòng)，不能調(diào)速。1.2液力耦合器液力耦合器是一種利用液體介質(zhì)傳遞轉(zhuǎn)速的機(jī)械設(shè)備，通過調(diào)節(jié)液體介質(zhì)的壓力，使輸出軸的轉(zhuǎn)速得以改變。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，對環(huán)境要求不高，價(jià)格便宜，多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，可逐臺(tái)延時(shí)啟動(dòng)

4、，可靠性較高。缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)必須空載啟動(dòng)，工頻啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流很大，對皮帶機(jī)帶強(qiáng)要求較高，多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)時(shí)功率平衡不好控制，調(diào)速范圍窄，能量轉(zhuǎn)換效率低，損耗大，大容量電機(jī)還需附加電機(jī)軟啟動(dòng)裝置。1.3CST可控軟啟動(dòng)器CST減速器是一種帶有電液反饋控制的齒輪減速器，由減速器、CST電液控制元件以及冷卻系統(tǒng)組成，通過調(diào)整離合器系統(tǒng)壓力實(shí)現(xiàn)可控軟啟動(dòng)和軟停機(jī)，可降低30%的基本膠帶張力，減少對設(shè)備的沖擊，對電網(wǎng)無污染，但CST無法根據(jù)皮帶的運(yùn)量來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，不宜使用于下運(yùn)帶式輸送機(jī)，且價(jià)格貴，維護(hù)費(fèi)用高，基本無節(jié)能功效。1.4變頻啟動(dòng)變頻啟動(dòng)是把電壓、頻率固定不變的交流電變換成電壓、頻率均可變的交流電來驅(qū)

5、動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻軟啟動(dòng)。這種方法調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、安裝調(diào)試使用方便、保護(hù)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、節(jié)能效果顯著。變頻器分為交交變頻和交直交變頻。交交變頻器是直接把工頻恒壓電源變換成所需要的變頻變壓電源，沒有任何中間環(huán)節(jié)，其特點(diǎn)為裝置本身效率高，輸出頻率低，功率因數(shù)低，諧波電流大，對電網(wǎng)污染較嚴(yán)重，需治理諧波，主要適用于低轉(zhuǎn)速、大容量的傳動(dòng)系統(tǒng)，如提升機(jī)等。交直交變頻器是先將工頻交流電源通過整流變成直流，再經(jīng)過逆變器將直流變換成頻率及電壓都可控的交流，根據(jù)直流電路中濾波方式的不同，分為電壓源型和電流源型兩種，其中以AB公司PF7000系列電流型變頻器和ABB公司的ACS6000系

6、列電壓型變頻器都得到了較多的工程應(yīng)用。電流型變頻器的最大特點(diǎn)是能量可以回饋電網(wǎng)，發(fā)電制動(dòng)方便，電壓型變頻器的最大特點(diǎn)是諧波電流小，功率因數(shù)高，兩者均可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電。2井下主運(yùn)膠帶機(jī)的變頻啟動(dòng)控制由于煤炭產(chǎn)量的不斷提高，長距離、大運(yùn)量、高帶速的帶式輸送機(jī)成為井下煤炭運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，且多為大功率、多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通常需要中壓供電，因此對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制提出更高要求，主要有以下幾點(diǎn)：啟動(dòng)電流要小，減少對電網(wǎng)的無功沖擊，減少對機(jī)械設(shè)備的強(qiáng)烈沖擊；電機(jī)的啟動(dòng)力矩要大，可重載啟動(dòng)；多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的功率平衡以及各電機(jī)的速度同步精度要高；起、制動(dòng)過程要平穩(wěn)，避免膠帶和滾筒之間的打滑；驅(qū)動(dòng)控制方式有利于節(jié)能降耗；使用

7、方便、維護(hù)成本低，系統(tǒng)的運(yùn)營效益高。采用調(diào)壓式軟啟動(dòng)器、液力耦合器、CST可控軟啟動(dòng)器中的任意一種啟動(dòng)皮帶機(jī)，雖能解決或部分解決膠帶機(jī)軟啟、軟停問題，但實(shí)際使用中存在諸多問題，如調(diào)壓式軟啟動(dòng)器受其控制原理的限制，重載時(shí)往往不能啟動(dòng)、不具備調(diào)速功能；采用液力耦合器，電動(dòng)機(jī)必須空載啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大，對機(jī)械設(shè)備有沖擊、多驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率平衡不好解決、傳動(dòng)效率較低，調(diào)速范圍窄，低速時(shí)能量損耗大；CST通過調(diào)節(jié)油膜間距實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，但沒有調(diào)速功能，不能實(shí)現(xiàn)過程控制，且油價(jià)昂貴，維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)。伴隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)，尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，作為大容量傳動(dòng)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。高壓電機(jī)利用高壓

8、變頻器實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，既滿足生產(chǎn)工藝對電機(jī)調(diào)速控制的要求，又可大幅度地節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。尤其在高電壓、大功率、多電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的帶式輸送機(jī)的應(yīng)用，充分顯示出其調(diào)速系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢。1） 實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的軟起動(dòng)。利用變頻器平滑的啟動(dòng)特性，將電機(jī)的軟起動(dòng)和皮帶機(jī)的軟起動(dòng)合二為一，通過電機(jī)慢速啟動(dòng)帶動(dòng)皮帶機(jī)緩慢啟動(dòng)，將膠帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，大大降低了對皮帶機(jī)的膠帶沖擊及機(jī)械系統(tǒng)的影響。而變頻器長于皮帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的特點(diǎn)，也降低對皮帶帶強(qiáng)的要求，進(jìn)而降低設(shè)備初期投資。2） 實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)重載啟動(dòng)。對于皮帶機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，變頻器低頻運(yùn)行輸出的高轉(zhuǎn)矩可以滿足皮帶機(jī)重載啟動(dòng)的要求。變頻器內(nèi)部的工頻旁路系統(tǒng)

9、，可以在變頻器故障時(shí)應(yīng)急使用和長期滿載無需調(diào)速時(shí)使用。 3） 實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的功率平衡。采用變頻器對皮帶機(jī)多電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，根據(jù)皮帶機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)布置，變頻器采用主從控制方式，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩或速度的全程跟蹤，達(dá)到功率平衡和速度同步，主從變頻器之間采用通訊傳輸。4） 實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)驗(yàn)帶檢修功能。低速驗(yàn)帶是帶式輸送機(jī)檢修的主要途徑，變頻調(diào)速系統(tǒng)為無極調(diào)速的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，在空載驗(yàn)帶狀態(tài)下，變頻器可調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在0%100%額定帶速范圍內(nèi)進(jìn)行長期驗(yàn)帶運(yùn)行，并能進(jìn)行多段速度的設(shè)定。5） 變頻器高功率因數(shù)和低諧波含量，使得帶式輸送機(jī)系統(tǒng)無需另設(shè)無功補(bǔ)償和濾波裝置，提高了供電系統(tǒng)的功率因數(shù)；而采用

10、變頻器驅(qū)動(dòng)之后，電機(jī)與減速器之間的直接硬聯(lián)接，較之電機(jī)+液力偶合器+減速器或電機(jī)+CST驅(qū)動(dòng)方式，皮帶機(jī)系統(tǒng)總的傳動(dòng)效率要比后兩種驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)效率高5%10%。6） 自動(dòng)調(diào)速與節(jié)能。由于煤礦特殊的生產(chǎn)條件，煤的產(chǎn)量不均勻?qū)е缕C(jī)的運(yùn)煤量也不均勻，在負(fù)載較輕或無負(fù)載時(shí)，皮帶機(jī)的高速運(yùn)行對機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損浪費(fèi)較為嚴(yán)重，同時(shí)電能消耗也較低速運(yùn)行大的多，且因礦井生產(chǎn)的實(shí)際需要，膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)又不能隨時(shí)停車。因此采用變頻調(diào)速系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)煤量的多少自動(dòng)調(diào)節(jié)皮帶機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，既可大大節(jié)約電能，同時(shí)降低膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備損耗，延長使用壽命。7） 當(dāng)下運(yùn)膠帶機(jī)負(fù)載速度大于電動(dòng)機(jī)速度或大慣量負(fù)載需要緊急減速時(shí)候

11、，電流型高壓變頻器可將降速工況即發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下負(fù)載反饋回的能量回送電網(wǎng)，利用再生制動(dòng)快速降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，在確保下運(yùn)膠帶機(jī)安全生產(chǎn)的同時(shí)，節(jié)約了電能。8） 目前井下防爆變頻裝置主要應(yīng)用于660/1140V、710kW以下皮帶機(jī)，尚無6/10kV大功率高壓防爆變頻器產(chǎn)品，對井下長距離、大運(yùn)量、多滾筒驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)而言，高壓變頻器可達(dá)15km的遠(yuǎn)距離供電特點(diǎn)，滿足了將變頻器放在地面井口變電所到井下電機(jī)的長距離電力傳輸要求。同時(shí)高壓變頻器由于受到功率元件的限制，電流型變頻器的電壓只能做到6kV，因此對于10kV供電系統(tǒng)，采用電流型變頻器調(diào)速時(shí)，應(yīng)采用降壓變壓器向6kV高壓變頻器供電，而電壓型變頻器則

12、采用隔離變壓器即可直接向10/6kV變頻器供電，變頻器的選擇應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電流選擇。另外，高壓變頻器可使用中心點(diǎn)鉗位型三電平逆變器（Neutral Point Clamped，NPC），每個(gè)橋臂由兩個(gè)功率器件串聯(lián)，這樣可以使功率器件的耐壓降低一半。三電平逆變器的IGBT一般采用模塊化結(jié)構(gòu)，其反向阻斷電壓較低，芯片比二電平的更薄，具有更低的開關(guān)損耗和正向壓降。三電平逆變器單個(gè)橋臂的總損耗比二電平逆變器低60%。由于損耗較低以及輸出電壓在三個(gè)電平間切換，輸出電壓波形更接近正弦波，諧波失真更小，更符合電磁兼容EMC的要求。三電平逆變器每相輸出狀態(tài)有3個(gè)：正（P）、零（Z）、負(fù)（N），將三相的3種

13、狀態(tài)進(jìn)行組合可生成27種電平狀態(tài)，這27種狀態(tài)又稱三相三電平的27種空間電壓矢量。要得到某一個(gè)空間的電壓矢量，可用位于該區(qū)域的部分或全部電壓矢量適時(shí)切換來逼近。在二極管鉗位的三電平逆變器中，可以選擇不同的矢量合成方法來實(shí)現(xiàn)SVPWM控制和中點(diǎn)電壓的平衡問題?？臻g矢量脈寬調(diào)制在大范圍的調(diào)制比范圍內(nèi)具有很好的性能，其控制結(jié)構(gòu)簡單，直流母線電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于皮帶機(jī)的變頻軟起和自動(dòng)調(diào)速控制。3結(jié)束語利用技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的高壓變頻器對井下長距離、大運(yùn)量、多滾筒驅(qū)動(dòng)的主運(yùn)皮帶尤其是下運(yùn)皮帶實(shí)現(xiàn)變頻軟起、自動(dòng)調(diào)速及自動(dòng)控制，不僅提高礦井煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)效率，降低現(xiàn)場維護(hù)量，而且節(jié)能效果顯著，值得大力推廣。對于高壓變頻器提出使用中心點(diǎn)鉗位型三電平逆變器，可使輸出電壓波形更接近正弦波，諧波失真更小，更符合井下電磁兼容的要求，使帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)控制更加平滑。參考文獻(xiàn)：1 毛鑫. 變頻技術(shù)防爆變頻器的現(xiàn)狀及發(fā)展J. 電氣開關(guān)，2009（6）：13-14.2陳樂平. 礦井大傾角皮