四象限变频器在煤矿下运带式输送机上的应用研究

宋建平

（西山煤电西曲矿掘进四队， 山西 古交 030200）

引言

目前，矿井下带式输送机都是采用液力耦合器作为动力的传动部件，使用工频来进行拖动。但是这样的组合能量利用率比较低，并且在电机启动瞬间的启动电流比较大，各个传动部件之间的存在冲击力，同时当有多个电机驱动时无法实现功率平衡，导致系统耗能比较大，传动部件磨损严重，维护成本比较高等。为了解决这一问题，某矿对驱动部件加入了变频器，在启动时有效的降低了启动电流，当有多台电机同时驱动时能够做到功率平衡，有效地节约了矿井的电力资源[1]。

1 变频器工作原理

1.1 四象限变频器能量回馈原理

一般用到的变频器称之两相限变频器，其工作原理是采用由二极管组成的整流桥将交流电整成直流电，然后再利用IGBT的快速通断将整流后的直流电再次转变为交流电，但这次的交流电是电压和频率都可以调节的交流电，通过他来控制交流电机就可以实现无级变速。但是这种变频器控制的电动机只能工作在将动力输出的状态。其更本原因就是由于整流的二极管整流桥具有单向导通的特点，所以无法将电动机产生的电能反向运输流到供电网络中。矿井下经常有一些电机能够产生电能的场景，比如说提升机下下来时，带式输送机上的物料由高向低运输时都会产生电能，目前常采用的办法是利用电阻来消耗产生的能量。这样做在一定程度上造成了电能资源的浪费。所以我们通过在IGBT模块里集成续流二极管[2]，这样便可以实现能量的双向流动，将电机被动转动时产生的电能运输到电网，以实现节能的目的。图1为四象限变频器的拓扑结构。

图1 四象限变频器拓扑结构

当带式输送机负载的转速超过变频器输出给电机的转速时，为了使负载的速度趋于稳定起到制动作用，这时的变频器必须要向电机输出一个转动方向相反的力矩来提供制动所需的力。这个时候电动机由于被动转动所以此时正处于发电状态，而产生的电能通过变频器直流部分的电路，然后通过IGBT将这些能量反方向调制为交流电然后输送给供电网络。这整个过程便是一个将带式输送机的动能转化为电能的过程。

表1所示为某型号变频器在某矿试用3个月后的统计情况[3]，从表中我们能够看出四象限变频器所带来的经济效益。

表1 四象限变频器在某煤矿电能产出统计表

1.2 矿井多机动态功率平衡原理

有时1台电机的驱动力不足以驱动整条皮带，所以需要用多台电机来实现驱动，这时便需要配套的多台变频器。而为了使每台电机的输出动力相等就要使每台变频器的输出功率相等或者是达到一个平衡状态。如下页图2所示：1号电机为主电机，而其他的电机为从电机，在此基础上来实现功率平衡。电机通过变频器来进行直接转矩控制，而后面的从机可以根据转矩的大小来实现功率平衡。1号主电机根据皮带是否验带来计算需要运行的频率输出，而从电机根据主电机的输出频率来确定自己的运行频率，但这个频率不能偏差太大[4]。当运行频率不在这个范围内时说明出现故障，这个时候需要立即停车检查。为了使带式输送机运行状态更加平稳，我们需要在各个环节比如启动、停车、恒速时所有的从机输出频率都要以主机为参考点来不断地调整。这样布置的优点是当有1台电机或者是变频器出现故障时，其他各台能够及时地调整输出，从系统软件里自动屏蔽故障电机，从而达到维持速度的稳定，这就能够最大限度地维持矿井生产的稳定。

图2 带式输送机主从驱动示意图

2 变频驱动技术应用分析

变频器就是利用电子元器件将不可控制的交流电经过变化后变为可以控制的交流电，从而实现对电机转速的驱动，达到无级变速的目的。同时也可以将机械冲击等减小。通过变频器还可以根据实际的工作情况随时的变化电机的驱动速度以达到节能的目的。使用变频器主要有以下四个优势：第一可以随时随地控制速度，同时有效地减小能量的损耗。第二能量的传递比较直接，可以有效地降低设备出现故障的频率，增加系统的稳定可靠性。第三在维护方面也比较简单。第四工作效率高，相比于软起有巨大的优势[5]。

变频器驱动不论是在驱动速度方面还是驱动效率或者是实现功率平衡方面都要比传统的用于调速的液力藕合器强很多。除此之外变频器技术在带式输送机的保护方面还有很多优点，比如说皮带的断带停机、安全性等方面都是传统的软起方式无法比拟的，最主要的是在工作效率上能够获得极大的提升。

3 应用实例

某矿采用的带式输送机输送能力是2 000 t/h，总的输送带长度为1 600 m，水平倾斜角为向下的10°～12°，垂直提升的高度在54 m左右，并且是一条下运式带式输送机[6]。

在对带式输送机进行驱动部分电气改造时，采用变频器来驱动电机，将机头部位的电机设置为主电机，其他部分的电机为从电机。经过严格的计算后确定驱动方式为两驱，每台电机的功率为500 kW同样每台变频器也采用500 kW的四象限变频器。图3所示关键部件包括组合开关、保护系统、减速油泵、电机降温风机等一系列设备。

图3 带式输送机供电系统

本系统由于采用两驱的方式所以这里设置1号变频器为主机，2号变频器为从机。主机是整个系统运行控制的核心，所有的控制命令只需要下达给主机便可以实现功能，包括带式输送机的启停、对带式输送机的速度控制、对胶带的张紧等复杂操作。主机除了要对1号电机进行控制外还要对其他部件进行控制比如说电机冷却用的风机、减速箱冷却风机等一系列配套设备。同时必要时对张紧装置进行控制驱动。而从动的变频器需要根据主机的工作情况进行实时的调整，以及对附属部件比如外部循环的冷却水、减速箱风机等设备进行控制。在整个运行的过程中设备之间都是通过CAN总线进行通信的。

4 结语

该煤矿运用的象限变频器对带式输送机进行改造后，解决了带式输送机在运输物料过程中出现反向力的问题，能够将电机产生的电能返回到供电网络中，在一定程度上降低了电能的消耗，同时也解决了多个电机驱动时相互之间的功率平衡问题、液力耦合器在传动时效率低下、机械冲击比较大的问题，以及设备由于机械冲击强烈而出现的降低寿命的问题，带式输送机运行更加平稳，在一定程度上降低了故障率。