选煤厂皮带运输机变频技术应用改造

(拜城县众泰煤焦化有限公司，新疆 阿克苏 843000)

0 引言

目前，国内大多数选煤厂所用皮带运输机采用工频拖动，受到长期工频运行和液力耦合器效率影响，皮带运输机运行耗能较高[1-4]。皮带运输机采用工频拖动时，皮带运输机的软启动通过液力耦合器的使用来实现，尽管采用了转子串联电阻降低了电机启动力矩，但是电机启动电流仍然较高，电机启动冲击剧烈，易造成机械磨损和损坏，且鉴于液力耦合器的磨损和维护费用较高，对于选煤厂综合经济效益的提升极为不利。另外，皮带具有较高的储能性能，在皮带启动和停止时均会储存大量的弹性能，采用液力耦合器软启皮带时，皮带的弹性能释放，与液力耦合器加载力相抗会造成电机在短时间内机械冲击急剧上升，易造成电机冲击损伤和发热，尤其会造成多机驱动，同一皮带出现功率不均和不同步现象，在此情况下，皮带运输机若处于下行运行时，速度难以控制，会出现飞车现象。因此，有必要采取相应的技术对工频驱动皮带方式进行优化，以提高皮带运输机的安全性能和降低耗能。

1 选煤厂皮带运输机控制现状分析

选煤厂某皮带运输机水平剖面见图1所示，该皮带运输机采用下行方式运行。对该皮带运行进行分析可知：该皮带运输机由2台电机，即皮带运输机电机1和皮带运输机电机2同轴连接，当皮带运输机工作时，2台电机反向运行，如皮带运输机空转时，皮带运输机电机1和皮带运输机电机2分别反转和正转，皮带运行方式为下行运转；皮带在下行运行过程中，皮带运输机电机的输出转矩在液力耦合器作用下，皮带运输机驱动轮毂所受力矩与上层皮带自重产生的力矩叠加，且所形成的叠加力矩与皮带运输机摩擦阻力力矩处于平衡状态，此时皮带不负载运行，皮带运输机电机1和皮带运输机电机2分别为反转电动态和正转电动态；当皮带上煤呈带负荷运转时，负荷重力产生的力矩作用于皮带运输机驱动轮毂，此时驱动力矩超过摩擦阻力力矩，皮带运输机驱动轮毂加速运行，此时皮带运输机电机1和皮带运输机电机2分别处于反转再生态和正转再生态；皮带运输机电机1和皮带运输机电机2处于电动态时，电机输出的电磁转矩是电机转子的驱动力矩，大量电能在电磁转矩作用下输出机械能驱动皮带运输机运转；当皮带运输机电机1和皮带运输机电机2处于再生态时，电机转子反向切割磁力线，电机输出的电磁力矩相应转变为电机转子的制动力矩，电机转子被皮带运输机带负荷运转时产生的合成力矩拖着超同步转速进行运转，皮带运输机轮毂上的机械能反馈给电网，此时电机受到冲击较大，容易产生机械损伤和发热。

图1 皮带运输机水平剖面示意图

2 皮带运输机变频改造的必要性

变频调速是通过采用变频器为核心元件构成变频调速系统，变频调速的应用不仅可以提高设备自动化水平，还可大幅度降低设备能耗，目前变频调速被认为是最有前景的调速方式之一。在设备调速方面，通过变频调速技术的应用，仅需改变逆变管开关顺序即可实现电机的正转和反转，可有效避免因换相不当引起的电机发热和烧电机现象；且变频调速从低速开始，频率较低，加速和减速时间可以调节，启动电流较小；变频调速进行制动时，不仅可以将机械负载能量消耗在制动上，还可以通过增加附属元件回馈给电网。另外，变频调速节能效果好也是变频调速技术逐渐广泛应用的重要基础，数据显示，部分风机、泵类负载节能可达20%～60%，皮带运输机类低速运行设备采用变频调速后节能较明显。

变频器驱动电机启动可分为电动态、再生态和空载启动，为避免皮带运输机电机和变频器运行时出现过载，需要在变频器驱动电机启动前输出零赫兹力矩电流，这样可确保电机启动时拖动系统速度为零，这样可以实现变频器输出转矩基本不变的情况下输出频率逐渐升高，进而实现电机的带载启动。通过对选煤厂下行皮带运输机运行分析可知，皮带运输机驱动电机启动分为电动态、再生态和空载启动，因此选用四象限能量回馈型变频器对皮带运输机控制进行改造，该类型变频器不仅具备普通变频器的功能，还可以实现皮带运输机电机带载和空载启停时皮带平稳启启动，避免电机损伤和皮带跑车现象。

3 皮带运输机变频改造

为了确保试验皮带运输机电机能够实现转矩平衡，在对其进行控制改造时应采用2套变频器进行联合控制，在控制系统中2套变频器的逆变器公用直流母线、整流/回馈装置，其中一台电机作为主动电机，另一台作为联动电机，即通过变频器的使用可对皮带运输机电机的输出转矩进行检测，确保四象限变频器速度、转矩同步，进而还可有效解决两台电机驱动皮带运输机产生的扭震和共振等问题。另外，在皮带运输机运行过程中，若出现轻负荷运行或者一台变频器出现故障不运行时，可由另一台变频器拖动皮带，实现皮带的正常运转。通过采用四象限变频器的应用，还可通过增加附属原件使部分机械能反馈到电网进行重新利用，且反馈过程中因变频器的应用对电机冲击载和较小，不会对电机造成损伤，同时实现了皮带运输机电机的节能。但是附属元件的投入资金相对较高，这部分能源节约成本回收周期相对较长；如若不考虑节能效果，可直接采用变频器带动单元来控制，即机械能通过制动单元和制动电阻进行消耗。在进行皮带运输机控制改造时，保留原有的工频启动柜，同时将液力耦合器效率调至最高，将工频启动柜作为控制系统的备用，一旦变频控制出现故障时，可采用工频启动提高皮带运输机控制系统的应急能力。当皮带运输机控制系统改造调试结束后，在运行一段时间后未出现控制问题，可根据情况拆除液力耦合器，将皮带运输机转轴直接连在电机上，最终完成皮带运输机的变频技术改造。

4 结语

皮带运输机采用变频技术改造后，不仅可彻底实现皮带运输机的软启和软停，同时可有效杜绝皮带运输机在工频控制下因速度控制不当易出现的飞车问题，大幅度提高了皮带运输机的控制能力和安全运行系数。通过四象限变频器的应用，可通过增加附属元件将部分机械能反馈给电网，实现电能的复用，降低皮带运输机能量消耗，实现节能降耗。另外，通过变频技术改造避免了液力耦合器使用过程中出现的诸多问题，有效降低了设备的损坏率和维护费用，有利于提高选煤厂的综合经济效益。