UP10变频器在煤矿皮带输送机上的应用

2012-05-29程宝平

电气技术 2012年5期

程宝平

（山西长治市应用技术研究院，山西长治 046011）

高平市姬家山煤矿斜井采用皮带输送机上行运煤，皮带输送机由一台三相异步电动机通过液力耦合器及减速器同皮带输送机滚筒轴连接，采用手动开关运行方式。皮带输送机起动后电机恒速运行，皮带的速度不能调整。由于皮带输送机电机长期工频运行，不能软起软停、加之皮带输送机采用液力偶合器实现皮带软起动，使得电网电压的波动剧烈，电机内部机械冲击剧烈、发热和磨损大，设备的维护和维修工作量大、能耗高、费用大，另外针对皮带输送机起动时间短、加载力大而引起的皮带易断裂和老化情况，不得不选用强度很高的皮带，导致成本加大。为提高皮带输送机运行效率、减少设备的维护和维修工作量，节约成本和能源，经过市场调研及对多个改造方案的初期投入费用、维护费用相比较，决定采用变频器对皮带输送机电动机进行改造。

1 皮带输送机变频改造前现场情况

1.1 现场基本情况

煤矿斜井长360m，提升垂直高度为135m，斜井的坡度为22°，运输方式为上行运煤。改造前的拖动方式为电动机→液力偶合器→减速器→皮带输送机滚筒轴→皮带，皮带输送机起动后电机工频恒速运行，手动开关，皮带的速度不能调整。

改造前皮带输送机电机及皮带输送机技术参数：

电机型号：Y315S；额定功率：110kW；额定电压：380V；额定电流：209A

额定转速:960rpm；功率因数：cosφ=0.81；变频范围：10～50Hz

皮带机型号：B650；带速：1.5m/s；带长：360m；带宽：650mm

1.2 现场皮带输送机工作原理及存在问题

皮带输送机是通过电机驱动皮带输送机滚筒轴，靠摩擦牵引皮带运动，而皮带则通过张力变形和摩擦力带动物体在支撑辊轮上运动。由于皮带是弹性储能材料，所以在皮带输送机停止和运行时皮带储存有大量势能，因此皮带输送机起动时应该采用软起动的方法，将皮带内部贮存的能量缓慢释放，使皮带机在起动过程中形成的张力波降到最小，几乎不对皮带造成损害。现场皮带输送机是通过采用液力耦合器来实现皮带输送机的软起动，并且在皮带输送机起动时调整液力耦合器的机械效率为零，使电机空载起动。该方法的缺点是，虽然采用了降压空载起动，但电机的起动电流仍比较很大，达到400A 以上，这不仅引起电网电压的剧烈波动，还造成电机内部机械冲击和发热等现象。

1.3 现场皮带输送机电动机动态运行情况

现场皮带输送机采用的电动机是三相异步电动机。由于该皮带输送机是向上输煤至地面，因此电机的输出转矩通过减速器转换后作用在皮带机驱动滚筒轴上，并与上层皮带自重沿传输面重力分量作用在皮带机驱动轮毂上的力矩合成。合成的驱动力矩与驱动轮毂受到的皮带摩擦力阻力合力矩相平衡。皮带输送机空载运行时，其电机处于正转电动态，工作在第一象限；在皮带上煤后，煤的重力沿皮带传输方向的分力也作用在驱动轮毂上，并使得驱动力矩逐渐增大；在驱动力矩超过摩擦阻力力矩后，驱动轮毂的转速将加速转动，通过机械连接使得电机转子也加速转动，其速度将超过同步转速；电机处于正转再生态，工作在第二象限。电机运行在第一象限内时为电动态，其定子中的旋转磁场、电机的输出电磁转矩与转子的转向同向，电机输出的电磁转矩是转子的驱动力矩，此时电机从电网吸收的电能大部分由电磁转矩作用到转子上以机械能形式输出。当电机运行在第二象限内时为再生态，由于转子切割磁力线的方向发生了改变，所以电机作用到转子上的电磁转矩方向也发生改变，成为转子的制动阻力力矩。此时电机转子被负载的合成力矩拖着以低于同步转速的速度转动。

2 皮带机变频改造方案

根据现场实际情况，考虑到皮带输送机上行输煤时其驱动电机运行在两个象限内，所以选用的变频器是二象限型变频器。同时根据皮带输送机的工作情况，使选用的变频器能够在电机带载起动、空载起动或停机时能够输出直流制动力矩，保证皮带机平稳起动、停止，减小机械冲击，最终确定选用由山西电神电器设备有限公司生产的型号为UP10-132的变频器。该变频器技术数据如下。

额定功率：132kW；额定电压：380V；额定电流：260A。

输出频率（变频范围）0～50Hz；调整精度为±1%Hz。

保护功能：具有过载、过流、漏电、断相欠压，过载能力为200%，60s。

改造后的拖动方式为变频器→电动机→减速器→皮带输送机滚筒轴→皮带。

改造中同时进行了以下工作。

1）皮带输送机变频改造自动控制系统

皮带输送机控制系统采用电气柜控制或中控室PLC 控制。在中控室设上位监控计算机，使用UP10变频器组态软件对皮带输送机进行实时监控，并使用该软件的历史数据记录功能记录历史数据和报警数据。PLC 控制系统完成对变频器的起、停控制，实现各电机等速起动和同步控制，对电机进行过流、过载、短路、断路检测和保护，同时实现对皮带跑偏检测、皮带堆煤等保护。系统采用RS-485作为串行通信接口。另外，还匹配了煤流传感器，可以根据煤流大小自动调节皮带带速[1]。

2）皮带输送机变频改造的电气控制

在皮带输送机变频改造后，将原有的工频起动电气柜保留作为工频旁路，以防止变频器出现故障影响生产。如果变频器发生故障，则可以利用原有的工频起动柜应急运行，迅速转换到电机直接起动状态。也即增加的变频回路与原工频回路并联，组成双回路可转换控制系统[2]。

皮带输送机变频调速系统采用“一拖一”工频自动旁路方案，如图1所示（图中QF 为原高压开关柜内带综合继保的高压断路器）。工频旁路主回路系统由两个隔离开关QS1-QS2 和3 个真空接触器KM1-KM3 组成，KM3 与KM2 电气互锁。当电机变频运行时， KM1 、KM2 闭合，同时QS1、QS2 闭合；当电机工频运行时，KM3 闭合，同时KM1、KM2断开。检修变频器时，要求QS1、QS2 断开，使变频器系统处于安全状态，保证检修人员的人身安全。

3）变频器驱动电动机起动

变频器驱动电动机的起动情况也可以分为电动态起动、再生态起动和空载起动。为了防止起动时因为拖动系统速度不为零而造成电机和变频器发生过载情况，变频器在电机起动前预先输出频率为零赫兹的力矩电流，即变频器对电机预先输出一个直流力矩TL与负载力矩相平衡，保证拖动系统起动时初速度为零，这样变频器起动后逐渐升高输出频率，并保持输出转矩基本不变（视起动后负载力矩情况而定），实现电机的带载起动。在变频器输出频率到达设定频率后，电机按该频率下的特征曲线运行。

4）皮带输送机变频调速系统控制方式

皮带机变频调速系统采用本地/远程两种控制方式，即真空接触器的分合操作可以由远程控制系统统一协调控制，也可以在现场手动控制操作来完成。

现场控制：现场通过直接操纵工频旁路主回路系统真空接触器分合进行变频调速系统的控制操作。

远程控制：与DCS 直接连接，接受DCS 系统的控制。通过DCS 系统远程控制工频旁路主回路系统真空接触器的分合操作。

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