煤矿企业胶带机驱动方式探讨

2013-11-19段伟

科技致富向导 2013年19期

段伟

【摘要】随着煤矿建设不断大型化，长距离、大运量胶带机被广泛使用，胶带机的启动问题也逐渐突出，本文就胶带机常用的几种驱动方式进行探讨。

【关键词】软启动；液力耦合器；CST；变频器

0.引言

目前，在煤矿建设中，长距离、大运量带式输送机的需求迅速增长。由于胶带机具有大惯量的特点，起、制动过程需要电机提供高起动转矩，如果在起动过程中，未采用软启动方式，可能会有以下问题：①驱动电机的起动电流会对电网造成很大冲击，同时又造成供电线路压降过大；②传动设备要承受猛烈冲击，胶带张力过大会危害输送带及其它部件；③胶带和滚筒之间可能发生严重打滑，加速胶带的损耗；④多台电动机驱动时还存在多台电机的负载分配问题；为此人们不断研究，开发新的设备和技术来实现胶带机的软启动。目前实现软起动的主要方式分为机械和电气两大类。机械方式：包括使用液力偶合器，CST（线性湿式离合器），等；电气方式：主要为变频调速（其它还有串电阻启动等方法，因在煤矿不经常采用，这里不再讨论）下面详细介绍各种软启动方式。

1.液力偶合器

1.1液力偶合器工作原理和特点

液力偶合器是一种液力传动装置，又称液力连轴器。液力耦合器的结构主要由壳体、涡轮、泵轮三个部分组成。泵轮和涡轮相对安装，统称为工作轮。在泵轮和涡轮上有径向排列的平直叶片，泵轮和涡轮互不接触。两者之间有一定的间隙（约3mm～4mm）；泵轮与涡轮装合成一个整体后，其轴线断面一般为圆形，在其内腔中充满液压油，电动机运行时带动液力耦合器的壳体和泵轮一同转动，泵轮叶片内的液压油在泵轮的带动下随之一同旋转。在离心力的作用下，液压油被甩向泵轮叶片外缘处，并在外缘处冲向涡轮叶片，使涡轮在受到液压油冲击力而旋转；冲向涡轮叶片的液压油沿涡轮叶片向内缘流动，返回到泵轮内缘，然后又被泵轮再次甩向外缘。液压油就这样从泵轮流向涡轮，又从涡轮返回到泵轮而形成循环的液流。液力耦合器中的循环液压油，在从泵轮叶片内缘流向外缘的过程中，泵轮对其做功，其速度和动能逐渐增大；而在从涡轮叶片外缘流向内缘的过程中，液压油对涡轮做功，其速度和动能逐渐减小。液压油循环流动的产生，是泵轮和涡轮之间存在着转速差，使两轮叶片外缘处产生压力差。液力耦合器工作时，电动机的动能通过泵轮传给液压油，液压油在循环流动的过程中又将动能传给涡轮输出。液压油在循环流动的过程中，除受泵轮和涡轮之间的作用力之外，没有受到其他任何附加的外力。根据作用力与反作用力相等的原理，液压油作用在涡轮上的扭矩应等于泵轮作用在液压油上的扭矩，这就是液力耦合器的工作原理。

液力耦合器调速原理表明，传动速度的改变，实质是机械功率调节的结果。因此液力耦合器输出转速的降低，实际是输出功率减小。在调速过程中，液力耦合器的原传动转速没有发生变化，假设负载转矩不变，原传动的机械功率也不变，那么输入与输出功率的差值功率那里去了呢，显然是被液力耦合器以热能形式损耗掉了。设原传动功率为PM1，输出功率为PM2，损耗功率则为：ΔP=PM1-PM2。

由以上公式说明液力耦合器是一种耗能型的机械调速装置，调速越深（转速越低）损耗越大，对于平方转矩负载，由于负载转矩按转速平方率变化，原传动输入功率则按转速的平方率降低，损耗功率相对小一些，但输出功率是按转速的立方率减小，调速效率仍然很低。

1.2液力偶合器的优缺点

①调速范围宽，可实现从零调节；②没有电气连接，可工作于危险场地，对环境要求不高；③价格便宜，技术成熟；④结构简单，操作方便；⑤能量转换效率低；⑥液压油老化后定时更换。

2.CST（线性湿式离合器）

2.1 CST（线性湿式离合器）的工作原理

CST是一个由多级齿轮减速器加上湿式离合器及液压控制组成的系统。CST的输出扭矩是由液压控制系统控制的，随着离合器上所加的液压压力而变化。

对于CST装置，操作者可根据需要，通过控制器设置所需要的加速度曲线和启动时间。在收到启动信号后，电机先空载启动，达到额定速度后，液压系统开始增加离合器反应盘系统的压力。当反应盘相互作用时，其输出力矩将与液压系统的压力成正比。设在输出轴上的速度传感器，检测出速度并反馈给控制系统，该速度信号将与控制系统设定的加速度曲线比较，其差值将用于调整反应盘压力，从而确保稳定的加速度斜率。

在启动过程中，离合器滑差所产生的热量将由流经反应盘的冷却液带走并经热交换系统散热。冷却液、减速器润滑液以及液压控制系统的液压油采用相同的油。

2.2 CST的特点

一条胶带机可以由一台电机及一台CST驱动，也可以由多台电机及多台CST驱动。驱动电机在负载（胶带机）起动之前启动，此时CST的输出轴保持不动，当驱动电机达到满转速时，控制系统逐渐增加到每台CST离合器上的液压压力，起动胶带机并逐渐加速到满速度。这使得胶带机在被加速至满速度之前有一个缓慢而均匀的预拉伸过程。加速时间可以根据需要在规定范围内进行调整。启动时驱动电机可以按顺序空载启动，所以电机的冲击电流非常小。由于驱动电机可以根据运行负载进行选择而不必根据起动负载选择，所以CST驱动系统可以选用功率较小的电机。

同样CST也可以象控制胶带机的起动那样控制胶带机的停车，通过延长停车时间可以降低对胶带的动态冲击力。

当一驱动系统中有多台CST时，控制系统可以确保每台驱动电机分担相同的负载。合理的功率平衡可以有效地延长整个驱动系统各部件的寿命。功率平衡是通过保持控制每台CST离合器的压力，并允许一台或几台CST的离合器进行轻微打滑来实现的。

皮带正常运行时，根据系统中各CST的功率平衡要求，每台CST的离合器或者保持少量打滑状态，或者维持压力以无打滑方式输出所要求的扭矩，但系统中任何负载的增加都将引起离合器打滑，这种情况被称为“软锁定”。当离合器被软锁定时，任何的瞬间的过载或冲击载荷都将引起离合器的打滑，这样驱动系统的所有部件，包括联轴器、轴承和齿轮等都将在冲击或过载时受到保护，从而延长其使用寿命。

与液力耦合器相比由于CST具有电-液控制系统，使得CST可以让用户设定启动、停车曲线，并在多台CST间实现功率的平衡非常容易。而可调液力耦合器虽然可接受由简单的电信号，但本质还是纯机械的方式。所以无法提供可控的启动、停车曲线。

2.3 CST的优缺点

①优点：a可以让用户设定启动、停车曲线；b离负载最近，从而动态相应快，对负载可精确控制；c减速机和负载隔开，从而使减速机的工作条件良好，提高了减速器的寿命；②缺点：a系统复杂，有液压、电控两套系统，维护需要较高的技术；b对大容量胶带机用CST须需多路供电，且需高低压两种供电电源；c无法提供可控的启动、停车曲线；d对油质要求较高；e全套国外产品，价格较高。

3.变频器

3.1变频器的工作原理

煤矿企业胶带机驱动电机普遍采用鼠笼式电机：

式中n—电动机的转速；f—电动机定子电源的频率（Hz）；p—电动机的极对数；s—电动机的转差率。

由此可知，可以通过改变f、s和p等3种方法控制交流异步电动机的转速n，但由于转差率s和极对数p不易改变，因此常用的是改变频率f。

变频器是利用电子和可控硅为基础，实现对电动机的电压和频率进行控制，使电源频率平滑改变，从而使电动机可以平稳地启动，机械和电应力也降至最小；而且能根据工况随时改变频率，从而实现对胶带机带速的控制。

变频器分为交直交、交交变频两大类。目前交直交变频使用比较广泛，在此简单介绍一下它的工作原理。交直交变频由顺变器、中间滤波环节、逆变器三部分组成。顺变器的作用是将定压定频的交流电变换为可调直流电，通过电压型或电流型滤波器为逆变器提供直流电源。逆变器将直流电源变为可调频率的交流电。顺变器和逆变器都是晶闸管三相桥式电路，滤波器由电容或电抗器组成，为逆变器提供稳定的电压源或电流源。

3.2变频器的特点

目前工业用变频器规格范围很宽，从几kW到几MW都有，近几年中、高压大功率变频器产品逐渐增多。现代变频器基本都采用矢量调速技术，使受控电机呈现优良的调速特性和满意的负载能力。变频器的加速曲线可以在很宽的范围内设定，能满足控制带式输送机加速度的要求。变频调速系统的机械特性很硬，基本与电机的固有特性相同。使用开环系统控制带式输送机的驱动可以满足技术要求。

当用多台变频调速电动机驱动1台带式输送机时，会有一台变频器被指定为主变频器，其他变频器指定为从变频器，主变频器采用转矩控制，从变频器采用速度跟随控制。运行中只对主变频器控制，全部从变频器通过数据通讯，同步地、自动跟随主变频器实时运算、动态运行，保持良好的主、从关系和功率平恒。

在下运带式输送机上，变频器可确保电机输出足够的制动转矩以平衡动力负载，使输送机稳速运行，如果为四象限变频器，还可以向电网反馈能量。

变频器能够提供很低的胶带运行速度，满足验带需要，并且变频器拥有很强的故障诊断能力，可根据用户需求提供不同的通讯接口实现数据上传，这是机械式软启动装置所无法实现的。

3.3变频器的优缺点

3.3.1优点

①单元占用空间小，容易布置；②能量传递的环节少，因而驱动系统的效率高；③能量传递的环节都是刚性的，可靠性高，适用范围广；④维护工作量小。⑤效率高，高达96%以上，远远高于晶闸管大功率调速装置。

3.3.2缺点

①谐波大，大容量对其他电器设备有一定的干扰，需加滤波器；②大容量变频器必须考虑散热，而且要求环境清洁，一般需加装空调进行散热。

为了更好的对以上3种胶带机驱动方式进行对比请看下表：

通过以上对比我们可以得出结论：

液力耦合器的驱动方式：适用于胶带机功率较小，且对启动特性无特殊要求或工作环境比较恶劣无法使用其他软启动的情况。这种方式是目前应用最广泛的，凭借可靠的技术和很高的性价比，今后也会有一定的市场。

CST驱动方式：适用于长距离、大运量胶带机，可对胶带机提供良好的保护，但设备造价较高，须考虑工程预算。由于设备系统复杂，维护成本高，今后会逐步缩小使用范围。