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1引言

皮帶機(jī)在煤礦上的使用非常普遍，特別是在一些大型煤礦上。皮帶機(jī)上的皮帶是一個(gè)彈性體，在靜止或運(yùn)行時(shí)皮帶內(nèi)貯藏了大量的能量，在皮帶機(jī)啟動(dòng)過程中，如果不加設(shè)軟啟動(dòng)裝置，皮帶內(nèi)貯藏的能量將很快釋放出去，在皮帶上形成張力波并迅速沿著皮帶傳輸出去。過大的張力波極易引起皮帶被撕斷，因此，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，帶式輸送機(jī)必須加設(shè)軟啟動(dòng)裝置。隨著高壓變頻技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，在新建煤礦中，新上皮帶機(jī)設(shè)備優(yōu)先考慮采用變頻調(diào)速控制。

2用戶情況介紹

轉(zhuǎn)龍灣（鄂爾多斯）煤礦屬兗礦集團(tuán)下屬的煤礦，是新建煤礦，主井皮帶機(jī)用來由井下向地面運(yùn)煤，皮帶機(jī)為3臺(tái)電機(jī)同時(shí)聯(lián)動(dòng)拖動(dòng)，皮帶機(jī)有關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

主井皮帶機(jī)是全礦的流程中樞，一旦皮帶機(jī)不能正常工作，將造成全礦停產(chǎn)，且會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。另外高壓變頻器須安裝在環(huán)境相當(dāng)惡劣，煤灰比較重，粉塵大的場(chǎng)合。因此要求高壓調(diào)速系統(tǒng)具有極高的可靠性、穩(wěn)定性、防護(hù)性，變頻器應(yīng)具有矢量控制功能，滿足皮帶機(jī)重載啟動(dòng)，應(yīng)解決多電機(jī)運(yùn)行中的多機(jī)速度協(xié)調(diào)配合控制問題，應(yīng)使多臺(tái)電機(jī)在運(yùn)作中出力均勻。

經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)外各種高壓變頻器調(diào)研、比較，轉(zhuǎn)龍灣煤礦領(lǐng)導(dǎo)選擇了新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38-1200P型（1200kW/10kV）高壓變頻器作為皮帶機(jī)的控制設(shè)備。皮帶機(jī)配備3臺(tái)高壓變頻器控制。

3  皮帶機(jī)變頻控制方案

3.1 拖動(dòng)電機(jī)的控制方式

由于帶式輸送機(jī)的三臺(tái)電機(jī)中，三臺(tái)電機(jī)的控制方式不是獨(dú)立而是彼此相互關(guān)聯(lián)的。為了保證整個(gè)系統(tǒng)速度同步，確保三臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡，新風(fēng)光公司采用自主研發(fā)的主從控制功能，這樣一臺(tái)變頻器為主機(jī)控制模式，其余二臺(tái)為從機(jī)控制模式，跟隨主電機(jī)的速度同步運(yùn)行，同時(shí)以主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出為依據(jù)，保證三臺(tái)電機(jī)之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡。

制動(dòng)系統(tǒng)推薦采用機(jī)械或其他方式制動(dòng)，變頻器本身未作特殊的考慮。但是，變頻器提供軟停機(jī)功能，停機(jī)時(shí)，先把帶式輸送機(jī)速度調(diào)下來，當(dāng)速度降到一定值時(shí)，再把變頻器退出，制動(dòng)器抱閘。

3.2新風(fēng)光JD-BP38-1200P高壓變頻器基本性能

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，需要使用高壓變頻器實(shí)現(xiàn)皮帶系統(tǒng)的軟啟動(dòng)和調(diào)速運(yùn)行，要求變頻器矢量控制技術(shù)，滿足皮帶機(jī)重載啟動(dòng)、主從電機(jī)轉(zhuǎn)矩均衡控制等功能，要求變頻器具有高可靠性。轉(zhuǎn)龍灣煤礦選用新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的3臺(tái)JD-BP38-1200P高壓變頻器，對(duì)皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。該系列高壓變頻器具有以下特點(diǎn)：

（1）采用完美無諧波的單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有較低的電網(wǎng)電流諧波，滿足電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的嚴(yán)格要求，輸出線電壓為33電平，無需使用輸出濾波器，可采用普通異步電動(dòng)機(jī)。

（2）采用無速度傳感器矢量控制方式，啟動(dòng)力矩大，并有效避免由于負(fù)載波動(dòng)導(dǎo)致的變頻器過流故障。

（3）配置轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)均衡控制。

（4）可配置2倍以上電流過載能力，可滿足大慣量系統(tǒng)的重載啟動(dòng)要求。

（5）風(fēng)光高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓的適應(yīng)范圍寬（－65％～115％Un），采用單元故障自動(dòng)旁路、星點(diǎn)漂移技術(shù)、工頻旁路、瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能、相間短路等多項(xiàng)完善的保護(hù)功能技術(shù)，提高了抗電網(wǎng)波動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)能力，大大提高產(chǎn)品在煤礦皮帶機(jī)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的可靠性。

新風(fēng)光電子有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1200P 高壓變頻器(1200kW/10kV）技術(shù)參數(shù)如表2所示。

4皮帶機(jī)變頻主回路接線圖

現(xiàn)場(chǎng)采用3套新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-1200P高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)用戶要求，變頻器控制系統(tǒng)主從控制，采用“一拖一”控制。為防止變頻器檢修或故障對(duì)生產(chǎn)的影響，高壓變頻器配置手動(dòng)工頻旁路。3臺(tái)高壓變頻器主回路接線方式相同，以其中一臺(tái)裝置為例說明，一次接線如圖1所示：

圖1   手動(dòng)旁路柜一次回路圖

旁路柜中，共有3個(gè)高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用機(jī)械互鎖操動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械互鎖。當(dāng)K1、K2閉合，K3斷開時(shí)，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)K1、K2斷開，K3閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。

旁路柜必須與上級(jí)高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時(shí)，絕對(duì)不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。

故障分閘：將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘?hào)與旁路柜“變頻投入”信號(hào)串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。

保護(hù)：保持原有對(duì)電機(jī)的保護(hù)及其整定值不變。

5 主從控制

此方案采用3臺(tái)變頻器分別拖動(dòng)3臺(tái)電機(jī)，將各個(gè)電機(jī)定子繞組直接分別接在相應(yīng)變頻器輸出測(cè)；3臺(tái)電機(jī)變頻系統(tǒng)是由完全獨(dú)立的3臺(tái)變頻器通過主、從機(jī)的同步通訊方式保證3臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及功率平衡。3臺(tái)電機(jī)中任意一臺(tái)都可作為主機(jī)，另外2臺(tái)為從機(jī)。三機(jī)拖動(dòng)方案中，變頻器對(duì)電機(jī)獨(dú)立控制，變頻器主從之間可以自動(dòng)來調(diào)整變頻器輸出功率一致。

三機(jī)主從控制過程如下：

根據(jù)用戶要求，現(xiàn)場(chǎng)采用3臺(tái)1200kW變頻器分別控制3臺(tái)1000kW高壓電機(jī)，如圖2所示，如果選用1#變頻器為主變頻器（控制1#電機(jī)），2#變頻器、3#變頻器為從變頻器（分別控制2#電機(jī)、3#電機(jī)），由操作臺(tái)發(fā)給主變頻器給定頻率值，主從變頻器之間采用ModBus總線通信，1#變頻器作為主控，檢測(cè)1#、2#、3#電機(jī)的運(yùn)行電流，發(fā)出輸出轉(zhuǎn)矩給定值，控制2#、3#變頻器同步運(yùn)行。通過對(duì)3臺(tái)變頻器的輸出電流進(jìn)行采樣比較，通過改變2#、3#機(jī)的控制信號(hào)，使其始終跟隨1#機(jī)而變化。例如，當(dāng)2#電機(jī)的電流大于1#電機(jī)時(shí)，降低2#變頻器的給定信號(hào)，從而使2#電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，負(fù)荷減輕，電流變??；當(dāng)2#電機(jī)的電流小于1#電機(jī)時(shí)，提高2#變頻器的給定信號(hào)，從而使2#電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，負(fù)荷加大，電流變大。最終使3個(gè)電機(jī)負(fù)荷基本一致，電流在允許的范圍內(nèi)。

圖2皮帶機(jī)變頻器主從控制簡(jiǎn)圖

6皮帶機(jī)變頻電控系統(tǒng)的工作過程

皮帶電控系統(tǒng)控制原理如圖3所示。

圖3皮帶電控系統(tǒng)控制原理

（1）起車時(shí)，皮帶電控首先對(duì)皮帶系統(tǒng)傳送過來的信號(hào)進(jìn)行判斷，如跑偏、堆煤、縱撕、急停閉鎖等，若各信號(hào)正常才能進(jìn)入下一程序；其次，根據(jù)皮帶機(jī)頭各傳感器返回的信號(hào)檢測(cè)制動(dòng)閘及各開關(guān)狀態(tài)是否正常；最后，判斷皮帶張力是否在允許啟動(dòng)范圍內(nèi)。

（2）當(dāng)皮帶機(jī)各部分都處于正常狀態(tài)，具備起車條件，才會(huì)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)發(fā)出起車指令后，變頻器起動(dòng)。操作臺(tái)發(fā)出變頻運(yùn)行信號(hào)，變頻器按操作臺(tái)給定的運(yùn)行信號(hào)輸出頻率和電壓變化的電源，控制電機(jī)按給定的“S”形曲線軟啟。

（3）與此同時(shí)，操作臺(tái)發(fā)出指令使抱閘打開，并檢測(cè)抱閘是否完全打開。若抱閘未打開或未完全打開，將關(guān)閉運(yùn)行信號(hào)，同時(shí)給變頻器抱閘信號(hào)使變頻器急停，防止變頻器因堵轉(zhuǎn)而出現(xiàn)過流跳閘。

（4）當(dāng)皮帶達(dá)到額定速度，電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)皮帶速度與滾筒速度，當(dāng)二者速度差值超過規(guī)定值，緊急停車，并發(fā)出打滑報(bào)警信號(hào)。

（5）系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)溫度、減速器溫度、軸承溫度、皮帶張力、電機(jī)電流、抱閘狀態(tài)、變頻狀態(tài)、PROMOS狀態(tài)等，當(dāng)任一項(xiàng)指標(biāo)或狀態(tài)不正常時(shí)，系統(tǒng)緊急停車并報(bào)警。

7采用高壓變頻器對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的效果

變頻器2015年9月調(diào)試完畢投入使用至今，沒有發(fā)生故障停機(jī)，運(yùn)行狀態(tài)良好。皮帶機(jī)采用變頻器后，具體來說，有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）真正實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)軟啟動(dòng)。通過電機(jī)慢速啟動(dòng)帶動(dòng)皮帶機(jī)緩慢啟動(dòng)，將膠帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，可將輸送機(jī)啟停時(shí)產(chǎn)生的沖擊減至最小，幾乎對(duì)膠帶不造成損害。

（2）降低膠帶帶強(qiáng)。由于變頻器啟動(dòng)時(shí)間可以在1～3600s內(nèi)調(diào)整，皮帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)間通常在60～120s內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定。由于降低了啟動(dòng)沖擊，機(jī)械系統(tǒng)的損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒壽命大大延長(zhǎng)。

（3）實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)3臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡。電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)采用主從控制方式，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡。

（4）驗(yàn)帶功能。低速驗(yàn)帶功能是皮帶機(jī)檢修的要求。變頻調(diào)速系統(tǒng)為無級(jí)調(diào)速的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，在空載驗(yàn)帶狀態(tài)下可調(diào)整0～100%額定帶速范圍內(nèi)的任意帶速。

（5）平穩(wěn)的重載啟動(dòng)。變頻器低頻運(yùn)轉(zhuǎn)可輸出2.2倍額定力矩，適于重載啟動(dòng)。

（6）節(jié)能。對(duì)應(yīng)于煤礦的特殊生產(chǎn)條件，有時(shí)，煤的產(chǎn)量是極不均勻的，當(dāng)然皮帶機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)煤量也是不均勻的，在負(fù)載輕或無負(fù)載時(shí)，皮帶機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)行對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損浪費(fèi)較為嚴(yán)重，同時(shí)電能消耗也較低速運(yùn)行大得多，但因生產(chǎn)的需要皮帶機(jī)系統(tǒng)又不能隨時(shí)停車，可根據(jù)生產(chǎn)情況控制變頻器降速或升速。對(duì)于載荷不均的皮帶機(jī)系統(tǒng)，可節(jié)約電能、降低皮帶的磨損。

8結(jié)束語

皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38系列高壓變頻器后，保證了運(yùn)輸皮帶的穩(wěn)定運(yùn)行，配合自動(dòng)控制系統(tǒng)有效解決了皮帶運(yùn)輸過程中的跑偏、堆煤、超溫等問題，提高了皮帶機(jī)的自動(dòng)化控制水平?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，利用技術(shù)先進(jìn)、成熟可靠的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)煤礦皮帶機(jī)，可大大提高皮帶機(jī)自動(dòng)化控制水平，降低現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量，帶來可觀的效益，值得大力推廣。