高压变频技术在大型煤矿主斜井带式输送机的应用

畅永顺 张智勇

高压变频技术在大型煤矿主斜井带式输送机的应用

畅永顺 张智勇

以同煤国电同忻煤矿有限公司主斜井带式输送机为例，介绍了完美无谐波高压变频技术首次在煤矿大型主斜井带式输送机的成功应用，并叙述了设备系统构成和选型分析、以及与其他同类技术进行比较的效果。通过实践验证了在大型煤矿主斜井带式输送机上应用完美无谐波高压变频技术的优越性。

煤矿开采；带式输送机；输送机控制技术；高压变频器

同煤国电同忻煤矿有限公司（简称同忻矿）主斜井带式输送机的电气控制部分是我国煤炭行业首次采用高电压、大功率、多点驱动变频调速技术，并实现了长距离传输和带载运行。特别是设计采用和成功实施的完美无谐波、各工况条件下有效控制输送机软启动/软停车技术，以及整个动态过程中的集中控制方式技术均位于国内煤炭行业领先地位，对我国煤炭行业实现井下运输自动化、现代化具有较高的参考价值和指导意义。

该输送机用于由井底煤仓向上输送原煤。输送机的输送倾角为上运 5.13°～3.08°～4.4°，装机功率 N=3×1 800 kW+3×1 800 kW/6 kV。电机选用国产防爆电机，位于输送机头部和中部。头部为功率配比为2∶1的双滚筒三电机驱动，中间驱动单元采用功率配比为1∶1∶1的三滚筒三电机驱动。中间驱动的使用，可以降低承载胶带的最大张力，从而可以使选用胶带强度等级降低，胶带成本下降。

1 控制系统介绍

该机的电气控制系统设计选用了西门子S7 400H系列PLC，其主要完成以下功能。

①带式输送机的故障检测及保护功能。并建立故障排除系统，可在电脑系统的指引下逐步排除故障。

②监视变频装置运行状态。为了增强系统的可靠性，系统将变频器故障信号引入PLC系统，经其综合判断后，使系统发出信息或保护停机。

③电机的速度给定控制。给定控制根据实际使用要求，可以采用变频器分级给定、PLC无级调速给定两种方式。

④组建上位机系统，增强系统的自动化程度，降低劳动量。

⑤显示皮带运输机运输全过程并实现运输统计、管理。

同时电气控制系统还建立冗余系统，其目的是减少因一个错误或系统维护而导致的产品损失。

变频驱动系统的组成。

皮带头部3个驱动：3台2 250 kW变频器配接3台1 800 kW国产防爆电机，配1套主PLC。

皮带中部3个驱动：3台2 250 kW变频器配接3台1 800 kW国产防爆电机，配1套西门子ET200S防爆型PLC（电机与变频器距离2 100 m）。

主PLC (内置西门子研发的皮带控制软件)，保证6台电机同步、功率平衡、皮带平稳启停。皮带头部驱动系统与中部驱动系统之间通讯通过PROFIBUS现场总线实现。

考虑到皮带中部的电机与变频器距离较远，电机编码器信号及轴承和定子测温信号传输可靠性，在电机附近设置PLC从站，采用西门子ET200S防爆型PLC，用光纤将电机控制信号接入后通过PROFIBUS现场总线传输至地面主PLC站。

6台变频器采用一拖一方式运行，均工作于速度模式，依靠PLC+Droop control功能，确保变频器之间的功率平衡、速度同步。

2 方案

结合国外先进经验及我国煤矿发展的实际情况来看，今后我国煤矿带式输送机的发展趋势为：长距离、高带速、大运量、大倾角、大功率的方向。

同忻矿作为年产量可达千万t的国有大型矿井，其控制、传动系统的方案既要体现一般矿井井下皮带机的基本要求，又要能代表我国高科技、现代化煤矿建设的发展趋势。

变频调速现已成为电气传动最具竞争力的传动技术，无疑是皮带机驱动设备的发展方向之一。

在该项目中，长距离、大运量带式输送机的驱动和拉紧装置是选择带式输送的关键。由于其单机驱动功率大、多机多滚筒驱动，因此要求其具备能够控制启车和停车加减速度、调节驱动扭矩、调节多机多滚筒驱动的功率平衡、具有较高的自动化控制程度及对拉紧张力需求较高的特点。

该项目使用西门子完美无谐波高压变频器，其在以下几点表现出优越性。

①输入谐波。完美无谐波高压变频器通过将输入变压器进行多重化设计形成多脉冲整流措施，有效消除了输入谐波。从理论上可以推导出：K=N×P±1（N为整数），36脉冲整流35次以下谐波自动抵消。6 kV变频器采用的36脉波的LGBT整流电路结构，输入谐波远远小于规定标准，在不用滤波器情况下一般在2%左右，不会对电网产生影响。即：无需使用滤波器就能达到完美的输入波形。

②输入功率因数。西门子高压变频器输入功率因数可达95%以上，远远高于其他普通电流源变频器。

③输出波形质量。输出波形质量包括输出谐波、dv/dt、共模电压等指标。其中：输出谐波会引起电机的附加发热和转矩脉动；dv/dt和共模电压会影响电机的绝缘。变频装置对输出电缆长度及型号无任何要求，电机不会受到共模电压和dv/dt的影响。

完美无谐波变频器输出的波形与正弦波非常相似，而且dv/dt幅值小，不必附加输出滤波器，可以直接使用普通国产异步电机。2010年5月，由杭州银湖电气设备有限公司专业检测治理高低压谐波的专职机构对该套变频器进行了24 h的周期专业测试，未检测出谐波干扰。

④可靠性。最重要的是其具备其他变频器不可比拟的可靠性，主要体现在电源对其的影响：可承受-45%的电压下降、电机还在旋转的情况下可重新启动。

3 项目中的难点分析

同忻矿主斜井皮带机总长度4 601 m，带宽1 800 mm，运量达4 800 t/h，是典型的大型化输送设备，因此具有大型输送机存在的普遍特点——输送带振荡。

3.1 解决输送带振荡的方法

输送带最大张力通常发生在启动/停止制动工况下，采用软启动软制动装置，可以有效缓解动态张力的作用。为了将振荡减小到最小程度，必须选择理想的驱动装置，实现可控软启动：即在设定的启动时间内，通过控制输送机启动加速度值，确保输送机平稳启动，达到额定速度；使启动电流与启动张力控制在允许范围之内。

（1）采用合理的可控启动、制动或启动、制动装置减小动张力作用

通过动态分析可知，长距离、线路复杂的带式输送机，最好采用具有可控启制动功能的驱动装置，控制输送机按理想的启、制动曲线启动和制动，以减小输送带及承载部件的动态载荷。

（2） 最佳的可控启动/停止速度曲线

为了优化胶带机的启动和停车特性，在新的控制切换系统中，完善胶带机的启动过程，实现优化S形曲线启动，使胶带机的启动更平稳。同时，胶带机的停车过程也通过变频器可控停车理想的速度曲线停止，使其更加平稳停车。在整个启停过程中加减速度的最大值较小，没有加速度突变，以最大限度地减小启动惯性力和启动冲击作用。

3.2 恒转矩负载

在不同的转速下，负载的阻转矩基本恒定，恒转矩负载的功率是和转速成正比的。启动转矩的问题可以在轻载启动和重载启动两种工况下进行观察。如果启动转矩不够，在运输机重载启动时，会出现电机正反转，电机启动吃力，并会引起机械部分局部振动，影响设备正常运行。电流在升到一定值时就会降到0，这时电机就会被皮带拖着反转。解决这个问题应从以下几个方面考虑：

①电机应安装轴编码器，保证变频器闭环运行。这可以保证在皮带0转速时也能满转矩，从而保证足够的启动转矩。

②变频器选型考虑一定的裕量，变频器的启动转矩是额定转矩的1.5倍。

4 项目调试过程中的技术问题及解决方法

4.1 功率平衡的实现

多电机驱动时功率的平衡，由于驱动滚筒围抱角和摩擦力不同，出现出力不均衡、各点电机电流相差太大，可能有的电机出力不足，有的已严重过载甚至烧毁，因此要求各电机功率平衡、出力均衡。本系统由6套驱动装置构成。根据现场设备布置，头部1#与2#驱动装置同轴，属于刚性连接，3#驱动与它们之间属于柔性连接；中间驱动4#与5#与6#驱动装置之间属于柔性连接。

本方案采用“Droop control”控制技术，系统变频器个体之间没有主从之分，每一台可以是主，也可以是从，相对都是独立的，只需要接受上位机的速度信号，根据这个速度信号来进行调节控制。

4.2 中间驱动控制技术

头部驱动和中间驱动相距2.1 km，从控制上来说希望是头部转起来以后，胶带张力在达到中间驱动前一定范围的时候，中间驱动能够及时地转起来。其关键技术是各驱动点的带速同步、功率配比和功率平衡，中间驱动点数量越多，这种要求就越高。采用的方式是在中间驱动的附近安装了张力传感器，实时监测中间驱动胶带张力，当张力达到设定值的时候，中间驱动能够实时启动。

4.3 多点驱动中的振荡或叠带打滑问题

不同点驱动时，由于皮带的黏弹特性，电机启动要根据张力的作用进行时间配合，否则就会出现振荡或叠带打滑等现象。

胶带机的停车过程将通过变频器可控停车，满载正常运行时，皮带最大张力为1 052 kN，皮带安全系数为7.7；空载正常运行时，皮带最大张力为405 kN，皮带安全系数为20，说明所选胶带的强度在满载/空载正常运行时是足够的。满载正常运行时，传动滚筒处皮带张力比为1.67；空载正常运行时，传动滚筒处皮带张力比为1.08，传动滚筒的驱动系数=2.70，所以满载/空载正常运行时传动滚筒处皮带不会出现打滑现象。

4.4 在大运量情况下出现重载启车困难的情况

具体处理方法：将参数做重新调整设定，保证重载启车（说明：同忻煤矿原先6台变频器的参数设置相同，为提高启动转矩，将参数做了重新设定）。为此，7#变频器作为切换使用的变频器，在使用时必须修改如下相对应的参数后，方可替代1#，2#，3#变频器或4#，5#，6#变频器正常运行，见第18页表1）。

4.5 低速验带功能

在皮带机安装初期或检修调试期要低速运行，利于检查皮带机。带速要在0.2 m/s以下，有利于人工验皮带。

表1 变频器参数更改对照

5 应用体会

①自动调速、节电效果明显、运营成本低，符合国家产业政策对煤矿的特殊生产要求。有时，煤的产量是极不均匀的，所以皮带机的运煤量也是不均匀的。

②降低胶带张力，延长设备寿命。由于采用变频器所产生的良好启动特性，至少可降低启动张力30%，如在初期设计选择胶带强度时可降低一个标号。在实际应用过程中，由于降低了启动冲击，皮带机机械系统的设备损耗也随之降低，尤其是胶带接头、托辊、减速器及滚筒的寿命也可延长。

③运行可靠，维护成本低。该带式输送机可显著提高设备安全运行的可靠性，节约能源，降低生产成本，延长使用寿命。我公司2010年全年提升原煤1 006万t，由于使用高压变频调速，比使用CST调速全年节约电费1 502万元、维检费820万元，节支总额达到了2 322万元，经济效益巨大。

该项技术成果代表了大型煤矿带式输送机的发展趋势，为今后建设高科技、现代化矿井，原煤运输提供了宝贵的实践经验。

[1]吴忠智，黄立培，吴加林.调速用变频器与配套设备选用指南.北京：机械工业出版社，2000.

Application of High Voltage Converter Technology in the Slope Belt Conveyors in Large Coal Mine

Chang Yongshun Zhang Zhiyong

Taking the main inclined belt conveyor of Tong coal limited company as an example,this paper introduces the successful application of perfect and harmonic high-voltage inverter technology in the belt conveyor of large coal mine firstly.This paper also introduces the equipment system structure,the selection analysis and the effect through comparing with other similar technologies.Through the practice，the superiority of perfect no harmonic highvoltage inverter technology is verified,which applies in main inclined belt conveyor in large coal mine.

coal mining;belt conveyor;conveyor control technology;high-voltage inverter

TD63+4

A

1000-4866（2012）01-0015-04

畅永顺，男，1974年出生，北岳职业技术学院（煤矿机电专业）毕业，现在同煤国电同忻煤矿有限公司工作，助理工程师。

张智勇，男，1978年出生，太原理工大学（采矿专业）毕业，现在同煤国电同忻煤矿有限公司工作，助理工程师。

2012－01－11

收稿日期：2012－01－26