煤矿带式输送机变频调速系统应用研究

2021-05-13曹海龙

山东煤炭科技 2021年4期

曹海龙

（山西晋神沙坪煤业有限公司，山西河曲 036500）

皮带运输因其连续性和高效性在煤矿原煤运输中被普遍采用[1-5]。在运输过程中常规的皮带输出功率和运输速度恒定，在空载、轻载时存在电力浪费，输送机在空载启动时要求电压较高，对电网及其他机电设备运行造成影响，重载启动时甚至出现难以启动的现象。因此，目前煤矿多采用液力耦合器对皮带进行软启动，基本解决皮带运输启动困难问题。但使用液力耦合器存在易损坏设备、启动电流冲击大及多电机驱动功率不平衡等问题。

1 带式输送机的工作原理

带式输送机构成部件主要有电机、减速器、滚筒、皮带、H 架，托辊及安全保护装置，其驱动系统一般采用2 台同功率电机同步驱动。一般电机转速较高，需通过减速器将转速调整至所需的皮带传送速度。减速器与皮带驱动滚筒连接，皮带通过张力与驱动滚筒形成静摩擦力，启动皮带电机后，电机旋转带动减速器旋转和变速，驱动滚筒旋转时带动皮带运行以达到运输的目的。带式输送机结构如图1。

图 1 带式输送机结构示意图

2 液力耦合器的工作原理及存在的问题

（1）液力耦合器的工作原理

液力耦合器主要依靠联轴器转动实现对内部液体加压驱动电机，因其内部的涡轮和泵轮之间平直排列的叶片相互间存在一定间隙，在运行过程中，通过涡轮带动泵轮，泵轮带动驱动轮，最终以调节液压油体积比来实现对耦合器转速、扭矩的改变，从而实现皮带驱动滚筒的软启动。

（2）液力耦合器存在的问题

采用液力耦合器的皮带电机虽然解决皮带软启动问题，但因其工作原理的特殊性，导致液力耦合器电机运行存在以下几个方面的问题：一是采用液力耦合器的带式输送机必须是空载启动。因为采用液压耦合器进行软启动时其启动电流将是电机额定电流3～4 倍，其产生的较大电流除会对局部电网造成电压下降，影响其他设备运转外，还可能因瞬间产生强力冲击对电机造成损坏，负载启动情况更甚。二是不宜长时间运行。为满足液力耦合器软启动功能，必须在液力耦合器内加入水电阻等软启动液体，但该液体会随工作时间长而温度升高，严重情况时会造成箱内易熔塞融化，导致箱体漏液，对环境造成污染，且增加维护难度，故采用液力耦合器的皮带电机不宜长时间运行。三是易造成皮带损坏。因为采用液力耦合器进行软启动时，会在很短的时间内完成对驱动滚筒加载，导致皮带承受张力较大，如果皮带强度不够，可能会出现皮带内钢丝绳断股、皮带开裂甚至断带情况。四是多电机驱动的皮带无法解决转矩平衡。因煤矿井下皮带运输往往因运距较长、运输能力大等原因采用多电机联合运转驱动，多个电机的液力耦合器会由于驱动能力不平衡导致局部电机负载过大的安全问题。

3 变频调速的原理与方案确定

（1）变频器的构成及工作原理

变频器主要由变频主体部分、滤波电容和其他辅助部件构成。变频器主体部分主要负责调节电动机的速度，内含硅整流和 IGBT 功率器，其工作原理是将进入电机交流电通过整流转为直流电，再经过变频器的IGBT 功率器和滤波电容整流将直流电转换为较小电流的交流电，以较大转矩和较小电流交流电启动电机，从而实现变频调速和软启动。变频器整流线路图如图2。

图2 变频器整流线路图

（2）变频调速方案的确定

煤矿带式输送机根据工作面性质及运输量可分为普通带式输送机和强力胶带输送机。普通带式输送机一般采用双电机并联驱动，强力胶带输送机一般采用2～3 台电机联合驱动，多台电机联合驱动过程中，可能存在电机启动不同步或电机间启动滑差造成输出频率不一致，进而出现各电机转矩不一致，轻微情况导致出现软启动困难，严重情况则可能出现电机故障甚至烧毁电机情况。故需针对具体情况对各电机的转矩进行平衡以实现变频调速，确保各电机输出频率和转矩一致来实现电机的正常软启动的同步变频。针对不同情况可采取如下三种变频调速方案。

方案一：针对要求电机输出功率较小且驱动电机数量少的普通带式输送机，可采用一个变频调速电机带动普通电机的运行方案。该方案成本较低，但易出现电机启动期间转矩输出不均衡情况，主驱动电机负载较高。

方案二：针对要求各电机输出功率和转矩一致且两台电机驱动的带式输送机，可采用主动+从动变频调速的驱动控制方案。该方案可满足各电机输出功率和转矩的平衡一致性，是较为经济且简单的变频调速方式。

方案三：针对驱动电机数量较多，各电机间存在较大间距的强力胶带运输机（如上、下山，斜井运输的强力胶带运输机）则需采取统一协调控制的复杂变频调速方案。

针对以上三种变频调速方案，结合沙坪煤矿实际情况，使用带式输送机数量最多的主要集中在掘进工作面和采煤工作面，而掘进工作面和采煤工作面多采用双电机驱动，适用方案一和方案二。为充分满足调速后的输出功率和转矩的平衡，则方案二为最优方案。故针对沙坪煤矿实际情况，选择主动+从动变频调速方案。

（3）主控+从控变频调速原理及功能的实现

主控+从控变频调速系统以一台变频器为主控输出确定转矩，从控变频器根据主控变频器给出的转矩通过矢量控制算法与主控变频器同步运行，实现同主控变频器一致的电机转矩，进而实现输出功率的平衡性。主控+从控变频调速系统结构如图 3。

图3 主控+从控变频调速系统结构示意图

如图3 所示，将主控变频器中的速度调节器调整在转速给定值，由主控变压器输出电流、电压检测电机转速观测值，通过速度调节器给定转矩，通过矢量控制算法输出电压至主控变频器电机，同时将转矩给定值传输至从控变频器，从控变频器根据矢量控制算法输出电压至从控变频器的电机，因转矩值有主控变频器调节后传给从控变频器，故主控电机的输出转矩同从控电机输出转矩一致，保证输出功率的一致性。

4 变频调速系统产生的效果

采用变频调速系统后，在皮带开启方面，通过调速系统使皮带电机执行软启动，启动电流较小，避免启动时强电流对电网的冲击，启动缓慢而平稳，减少启动冲击力，大大降低电机内部构件和皮带的损坏，延长设备使用寿命。在重载启动方面，通过变频驱动使运转频率降低以增大转矩，进而可实现皮带重载启动，在实际应用中该功能产生的效果显著。在对运行期间的皮带调速方面，系统通过煤流传感器的传输数据计算皮带负载量对电机转速进行自动调节，避免皮带空载恒速运转造成的电能浪费。