变频技术在大型胶带输送机中的应用

摘要：在煤矿运输系统中一般应用胶带输送机作为主要传输工具。随着变频技术的不断成熟，及其在调速性能上、运行稳定性方面等突出的优势，能够起到提高运煤效率，减少能源耗费的效果。文章从变频技术在胶带机中实现调速的原理进行切入，就变频技术在大型胶带输送机中的应用进行了论述。

关键词：煤矿运输系统；变频技术；调速；胶带输送机

中图分类号：TD528 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）25-0046-03

随着国家工业化进程的加快，煤矿、电力、石油等能源需求量在不断增加，尤其是煤矿大量应用于发电等场合，越来越多的企业投入到煤矿开采中，因而现阶段煤炭资源已趋于饱和。为降低煤矿开采的成本，减轻煤矿企业运营负担，当前煤矿企业多采用胶带输送机运输，并引进变频技术改善其运行速度，从而实现高效、节能。

1 胶带输送机在煤矿中的应用

在煤矿井下巷道、选煤厂和露天采矿作业中，胶带输送机的使用较为普遍，可实现连续输送。胶带输送机在安装时，利用胶带卡子或其他工艺如硫化方式等将胶带连接成封闭环形，用张紧装置将它们张紧，在电动机的驱动下，靠胶带与驱动滚筒之间的摩擦力，使胶带连续运转，从而达到将货物由胶带输送机沿线的一个地方运到卸载部将货物卸载。张紧装置的作用就是将胶带张紧，使胶带与驱动滚筒具备足够的摩擦力，使两托辊组支架间的胶带控制在一定的挠度范围内，从而使胶带输送机正常运转。

在煤矿生产过程中，胶带输送机可实现水平方向及倾斜巷道方向的运输，在应用于倾斜向上运煤场合中，其工作所允许的倾斜角度不超过20°，块煤不超过18°；而在进行倾斜向下运动时，其允许的倾角是上述值的80%。相比于传统使用的刮板输送机，胶带输送机的运煤能力更强，且工作阻力小，并能降低原煤的破碎程度，保障运煤的质量，因而在煤矿中应用较为普遍。

由于胶带输送机上的胶带属于弹性体，其在静止或运动状态时会储存能量，当输送机启动时，若未配备软启动设备，则将引起存储的能量快速释放，并形成冲击波作用于胶带，极易造成胶带和设备的损坏。因而根据国家对煤矿安全生产的相关要求，胶带输送机在启动时需配置软启动装置。当前我国绝大多数煤矿企业在使用胶带输送机时，一般是以工频方式拖动，电机工频运行，在液力耦合器作用下将动力传送给胶带输送机装置。因电机长期以工频方式运行，且液力耦合器的传动效率不稳定，因而造成胶带输送机的工作效率不理想；此外，液力耦合器的长期运行会造成其内部油温升高、机械部件损耗、液体泄漏等情况的发生，多台电机驱动功率平衡难控制，设备启动冲击振动较大，严重影响到输送机的安全运行。随着变频技术的不断发展，在煤矿胶带输送机中得到广泛应用，有效地改善了上述情况的发生。

2 胶带输送机在煤矿中的性能要求

在煤矿运输系统中使用的多为钢丝绳芯带式胶带输送机，其可进行长距离传输，且具有承载和牵引双功能，可简化煤矿的运输系统，并保证传输效率。然而钢丝绳芯带式胶带输送机在运行时，其对牵引力、驱动速度等方面有较高的要求，除满足普通用带式输送机的软启动、功率平衡、重载启动等技术要求外，对调速特性及负力制动方面也有严格要求，因而其运行可使用直流调速技术加以驱动。然而在实际使用中发现，直流电机及调速系统存在无法防爆等不足之处，因而当前多利用交流变频调速系统在胶带输送机的使用以改善上述问题。

2.1 功率平衡性要求

因钢丝绳芯带式输送机适用于长距离运输，其需使用多个交流变频电机进行驱动，并在驱动滚筒与胶带的摩擦力作用下实现整个胶带输送机的运行。若是功率不平衡，则可能引起电机负荷出现分配不均匀情况，因而会加剧驱动装置的磨损程度，严重情况下可能会损坏电机，因此需严格控制胶带输送机的电机驱动功率平衡问题。

2.2 胶带输送机的无极调速要求

钢丝绳芯带式输送机在煤矿生产中主要承载长距离运煤及验绳等多种功能，在不同应用场合下对输送机中胶带的运行速度有着不同的要求，并能保证运行速度的稳定性，在进行速度调整时能平滑调速。

2.3 软启动及功率平衡重载启动的要求

在上述中提到，因胶带输送机中的胶带是弹性材料，因而能进行储能，在胶带输送机工作启动时，在未具备软启动功能的情况下，胶带极有可能会因能量的释放而发生滑动，进而影响其正常运行；另外输送机在使用时，不可避免会发生带载停车现象，因而要求其具备重载启动的功能，以保障设备的正常工作。

2.4 驱动系统的制动性能

带式胶带输送机在正常工作状态下，电机的输出转矩与所带的负载转矩保持平衡，然而当制动时，电机的动力矩突降为0，输送机的减速加速度是比较大的，考虑到输送机系统的惯性较大，减速冲击对系统的各个设备的破坏是比较大的，并可能引起输送机与运料间发生相对运动而发生事故，因而需对系统的制动加以优化。

3 变频调速系统在胶带机中的应用

3.1 变频调速系统结构组成

变频调速系统主要由变频主电路、数控系统、运行指示、模拟输入输出等组成。变频主电路是变频系统的核心装置，通用电路如下图1所示。主电路包括有整流、直流及逆变环节，从而实现交流—直流—交流的转换。整流部分主要依赖于6个二极管的单相导通性能，从而可将三相交流电源RST整形为直流电；而直流部分则主要是将电容与分压电阻配合使用，电容的作用主要是储能及滤波，从而维持直流电压UD的稳定性，而分压电阻的使用则主要是为避免各电容因工作性能的差异产生较大压降而击穿电容，可在电路中加上电阻进行分压从而确保电容压降一致；逆变部分则主要由6个高速开关、低功耗IGBT模块及以反并联方式接入电路的二极管组成，二者配合使用可实现将直流电压UD转换为频率及有效电压值均可改变的三相交流电。

数控系统主要是有集成电路、CPU处理芯片及基极驱动电路等组成。当数控系统中的CPU接收到输入电路的控制信号后，通过芯片中烧入的程度对数据进行处理、转矩运算等过程，从而生成PWM波形，输出到基极驱动电路中，对逆变电路中的IGBT模块进行开、断控制；运行指示模块则是对调速系统各功能模块的运行状态、故障信息等加以直观显示，从而使工作人员了解当前调速系统的工作情况；最后，模拟输入输出功能则主要是利用模拟或数字的方式模拟用户对调速系统的输入信号控制，从而实现自动化控制。

3.2 变频调速系统在胶带输送机的应用需求

3.2.1 可实现对胶带输送机的软启动。通过变频调速技术驱动胶带输送机后，变频调速装置具备的软启动功能可大大提高电机转速的控制精度，利用对异步电机的缓慢起动，从而带动胶带输送机同步缓慢启动，给予皮带充足时间释放存储的能量，进而降低胶带张力波造成的冲击力破坏。

3.2.2 驱动功率平衡性要求。在使用变频器装置驱动胶带输送机时，通常是选择使用一拖一的方式进行控制。若需驱动多个电机，使用主从结构进行控制，如此便可保证运动中要求的线速度、转动力矩一致，从而达到功率平衡性要求。

3.2.3 调速范围宽、可满足自动平滑速度。上述中提到，在胶带输送机中使用的电机主要是交流异步驱动电机，其转速的计算公式N=60f（1-s）/p，其中f表示交流电的变化频率值，而s则反映出转速率的大小，p是极对数的值。在实际计算时，s、p值的大小均是确定值，因而电机转速大小直接取决于交流电的频率f。若f值取值在[0，50]区间内变化时，电机的转速可调节范围比较宽，而变频装置可通过程序延时控制其输出频率变化，因而可灵活调节PWM频率范围，满足不同场合下对电机驱动速度的要求。

3.2.4 自动调速、节能效果明显。在对胶带输送机进行调速控制时，能实现胶带输送机根据负载变化动态自动调整运行速度，考虑去除各种损耗实际节电可达23%左右。胶带机低速运行时，机械设备各部件磨损都减少，延长了设备的使用寿命，节约效果明显。

3.3 胶带输送机变频调速系统的系统组成及控制

在胶带输送机中使用的变频调速系统结构与其通用电路组成相似，仍主要是整流模块、直流滤波、逆变模块及数字控制等组成，参考图1。其节能控制的实现主要通过负载进行输送胶带的速度控制，因考虑到负载的不均匀，检测输出的结果是上一次胶带运煤的流量，存在时间滞后问题，造成在调节输送带的速度上便相对较模糊，因而可通过模糊控制方式实现对负载的追踪检测，即在误差值较大的情况下，控制量以尽量减少误差为主，若使用的胶带输送机所带的负载量加大，则相应的胶带应进行提速，同时变频装置的控制电压也应升高。

4 变频调速装置在胶带机中应用选型

4.1 煤矿作业环境

由于矿区井下环境空气潮湿、可开展空间狭小，且空气中存在瓦斯、粉尘等具有危险隐患的易燃易爆物，根据国家对矿区生产作业提出的安全规定，煤矿井下用于开采、挖掘、运输等电气装置及其辅助性设备，需具备防爆及安全作业等性能；另外，需对作业现场的电气爬电、散热控制等进行充分地了解。若使用水冷方式冷却，需兼顾到变频装置对水质的要求，从而避免因水质差而影响变频装置的散热性能。

4.2 变频器的防护等级

在选择使用变频装置时，需考虑到其防护等级与现场作业环境的适用性问题，若选择不当，则矿区中的煤尘、煤粉及水汽等将会影响其使用，并导致故障问题的频繁发生。变频器的防护等级主要有IP00、IP20、IP54等，在实际使用时应重合结合现场作业环境，一般而言，矿用变频装置的防护等级需至少在IP54以上。

4.3 变频器的容量选择

使用变频器控制异步电机的转速时，变频器的容量选择通常依据异步电机的额定电流或工作电流值作为选择的参考值。因考虑到胶带输送机启动较为频繁且所带负载等惯性较大等因素，其在启动时会出现振荡，且异步电机在进行减速动作时，会有能量的回馈作用。为确保变频器的安全、稳定性运行，且延长其使用寿命，应选择使用容量值较大的变频装置加快启动时间，减少振荡及电能回馈问题的发生；此外，在进行变频装置的选择时，应尽量将规格相同的胶带输送机配备统一的变频器，从而方便备用、替代器件的采购，同时便于后期的维修工作。

4.4 应用示例

神东公司大柳塔煤矿井下大巷8700米胶带输送机采用变频调速技术，很好地解决了胶带输送机软启动控制，使用7台1000kW交流异步电动机变频控制器，其中1台为主控单元，其余6台为下位机，并在CAN总线的通信下实现主从机对胶带的拖动控制。

在皮带头部分使用4台变频器，并编号为1-4，中间部分则使用3台变频器装置，编号为5-7。这7台变频装置形成总线网络结构，并利用控制台控制处于皮带头中的1号变频器装置（可设任一台为主机），而剩余6个从机在主机的命令下动作，从而实现动态功率平衡及对皮带的加减速、停机、张紧动作。因在控制过程中，各从机均统一接收主机命令，自动调整本身输出状态，实现了整条皮带的稳定运行。经过2年多的运行，设备运行可靠稳定。

5 结语

使用变频技术对胶带输送机的运动进行控制后，可弥补胶带机自启动造成的不足，并实现在多个速度间的平滑调整。通过实践证明，相比与其他控制系统而言，变频调速控制不仅可降低胶带在启动中的张力波冲击，延长其工作寿命，而且可根据胶带输送机所带负载信息自动调整输出频率及力矩的变化，从而打破传统的工频匀速运行状态，提高对电能的有效利用率。从另一方面讲，变频控制技术属于节能型技术应用，因而，在煤矿胶带输送机中使用变频技术，可实现经济及社会效益的双赢，对建设节约型社会也有极大的帮助。

参考文献

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作者简介：孙学政，山东单县人，神华神东煤炭集团有限公司大柳塔煤矿电气工程师，研究方向：煤矿供电与电气控制。