变频一体电机在综采面刮板运输机上的应用

靳张浩

（晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿，山西 晋城 048000）

随着高功率、高电压变频设备应用领域的不断扩展，变频驱动设备在节能、维护、智能控制等多方面优势备受瞩目，煤矿逐步开始在通风、皮带等关键设备上采用变频驱动。然而，综采工作面由于受到恶劣的环境条件限制、机头机尾空间受限等诸多因素制约，加之矿井所需变频设备往往功率较大，前期核心器件研发滞后影响，现场仍在使用设备结构复杂、耗能较高、维护成本偏高的液力耦合器设备。近年来，变频设备核心器件迎来高速发展期，变频器的额定功率已达3 300 V，2 000 kW，促使变频驱动设备在大功率刮板运输机上的应用成为现实[1-3]。

1 技术现状

目前，成庄矿综采工作面使用SGZ1000/3×855 型刮板运输机，配合562DTPKWL2 型液力耦合器。日常使用过程中存在损耗和维修量大，运营成本高，缺少速度控制等诸多缺点。与先进的变频设备相比，液力耦合器存在影响矿井高效生产的突出问题主要有： 液力耦合器组件复杂，维护困难；液力耦合器的主要传动媒介是液体，对传动液质量要求较高，使用过程中消耗量大，需要频繁更换传动液，制约现场生产；液力耦合器存在软启动和功率平衡效果不良，现场需通过大功率驱动方能实现重载启动。针对上述存在问题，提出综采工作面刮板运输机变频电机一体化技术，研发新型变频一体机，适应综采工作面恶劣环境，解决液力耦合器维护困难等诸多弊端，提高工作面生产效率[4-5]。

2 变频一体机构成

针对现有刮板运输机驱动部进行优化设计与技术改进，维持运输机机头与机尾构件现状的基础上，引进德国保越3 300 V 的变频电机一体化装备来替代现有的驱动装备，取代原电机+ 液力耦合器的驱动方式，同时配备控制装备，实现驱动的集中控制及多机功率平衡，解决多点功率不平衡的问题。升级完成后，电机功率应根据现场刮板运输机能力进行优化选型，输送能力应不低于2 500 t/h，满足现场正常使用[6]。

2.1 变频器

变频器采用inverter (electronic power stage)逆变器，输入额定电压3 300 V，额定频率50 Hz；输出频率0～120 Hz，容量1 000 kVA，输出电流200 A。其控制方式采用V/F 或直接转矩控制，控制电源为127 V 电源外供； 电容- 额定电压为3 000 V DC，电容-放电时间为30 min。

2.2 变频一体电机

新型变频一体电机可实现线性调速，其最大可输出2.2 倍启动转矩，可在短时间内可无限次数启动，还可通过布置传感器实时监测电机各个部位的温度，确保各个驱动之间自动保持功率平衡。减速器型号KPL（PL）-45，通过连接罩筒+ 梅花形弹性联轴器与一体机相连接。冷却水要求进水温度15℃～40℃，压力10～20 bar，流量不低于25 L/min。改造完成后，节能大约20%～30%；刮板输送机可完全实现从0～100%的速度控制；1 600 kW 电机仅需要最大30 L/min 的冷却水量；电机体积符合现场实际的需求。新型变频一体机外观如图1 所示。

图1 变频一体机外观

2.3 逻辑控制

工作面刮板运输机系统控制逻辑分为以下两种，工作面三机启动逻辑顺序如图2 所示。

图2 工作面三机启动顺序

（1）工作面可实现破碎机、转载机、变频一体机连锁启停。由控制器发出启动指令前预先检测顺槽皮带给工作面的连锁信号，如有信号控制器发出启动指令后，先后依次启动破碎机、转载机、变频一体机；如未检测到连锁信号，严禁工作面启动三机；信号控制器发出停止指令后，先后依次停止变频一体机、转载机、破碎机；破碎机、转载机、变频一体机之间的启动或停止时间可根据现场需要通过修改控制器参数实现。

（2）根据现场需求，工作面可实现单台启停（破碎机、转载机、变频一体机单台启停）。

2.4 变频一体机的优势

（1）速度调整：变频一体机根据现场负荷情况可以实现运行速度的任意调整。

（2）使用便捷：变频一体机经特殊工艺预先将电机与变频器整合在一起，在-15%～15%额定电压范围内，变频电机均可正常运行，现场电压波动对刮板机转矩影响较小。

（3）检修方便：变频一体机3 年内免维修，维修周期长；同时，设备启动前可自行完成低速检修、拉链工作；设备构造简单，组件较少，维修方便。

（4）节能降耗：变频一体机电机功率可根据现场负载情况实时调整，工作面煤量较少时，输出功率随之降低，较普通电机可节能30%～35%。

3 效果分析

3.1 工业性试验

项目先期在地面进行设备组装配套并调试成功后，随后入井在成庄矿4321 综采工作面进行安装。现场调试完毕后，随即进行井下试运行。井下试验环境恶劣，设备处于潮湿高温多尘的环境中，相对环境湿度92%，最高温度+40℃。4321 综采工作面改造完成的变频一体机及相应的配套控制系统在现场应用效果良好，刮板运输机变频电机成功在井下连续进行300 m 回采作业。现场变频一体机加速时间在0～1 800 s 范围内连续可调，实现了刮板运输机安全平稳启动，降低了机械冲击和电气冲击事故发生率，保护了现场作业人员安全，重载重启转矩如图3 所示。

图3 重载重启转矩

3.2 经济效益

新型变频一体机在4321 综采工作面成功应用后，刮板运输机启动实现软启动，设备启动阶段更加平稳可靠，刮板运输机整体故障率得到明显降低。采用原562DTPKWL2 型液力偶合器驱动时，刮板运输机平均故障次数控制在7 次/ 年，影响工作面生产平均时长6 h/ 次；应用新型变频一体机后，刮板运输机平均故障次数降低至2 次/年，影响工作面生产平均时长3 h/ 次，变频一体机的成功应用为整个工作面的安全高效生产奠定了坚实的基础。变频一体机的投入使用可通过缩减设备列车长度降低煤柱损失，按300 m 长工作面计算，单个工作面减少10 m 的煤柱损失，可增加2 万吨的煤炭产量，经济效益显著。

4 结论

1）现场将工业领域成熟的变频技术应用于大功率高压电机上，成功实现大功率重型装备真正意义上的“软启动”，满足4321 综采工作面极端恶劣环境下刮板运输机各种运行工况下的特殊需求。

2）采用集成控制技术，刮板运输机可实现低速重载启动、无级调速、节能降耗、多功率平衡、远程集中控制与数据实时通讯等功能，充分发挥变频一体机驱动技术的优越性。