李金海，梁曉林，張巍川

1 前言

在灰?guī)r礦山，開(kāi)采出的灰?guī)r首先經(jīng)破碎車間破碎，再經(jīng)過(guò)出料膠帶機(jī)、中間膠帶輸送機(jī)、下行膠帶輸送機(jī)輸送至廠區(qū)的灰?guī)r預(yù)均化堆場(chǎng)（見(jiàn)圖1）。

破碎車間設(shè)10kV配電站，并為破碎車間、出料膠帶機(jī)、中間膠帶輸送機(jī)、下行膠帶輸送機(jī)的尾部驅(qū)動(dòng)等配電，下行膠帶輸送機(jī)的頭部驅(qū)動(dòng)由廠區(qū)配電站供電。

膠帶輸送機(jī)的總輸送長(zhǎng)度為4610m，高度差為160m，最大輸送速度為3.5m/s，額定輸送能力為1800t/h。下行膠帶輸送機(jī)的高度差為165.5m。

2 下行輸送系統(tǒng)傳動(dòng)方式的選擇

下行輸送采用能量回收的運(yùn)輸方式，不損失制動(dòng)能量或使制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成熱能，因此需要區(qū)分定速和變速兩種不同的運(yùn)行方式。

2.1 定速運(yùn)行和能量回收

圖1 工藝流程圖

下行輸送時(shí)，定速傳動(dòng)裝置（如鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或繞線式電動(dòng)機(jī)）接入電網(wǎng)通電后，由于其轉(zhuǎn)子的速度必須小于電機(jī)的同步速度（定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度），輸送物料下行時(shí)，膠帶輸送機(jī)上的物料產(chǎn)生的下滑力與電動(dòng)機(jī)的輸出力疊加，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子速度高于同步速度，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。

在定速傳動(dòng)情況下，不需要在電機(jī)上安裝任何附加的裝置就可以當(dāng)電動(dòng)機(jī)使用。在低于同步速度時(shí)，相對(duì)于電網(wǎng)頻率的轉(zhuǎn)差為負(fù)值，這時(shí)電動(dòng)機(jī)只是一個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，它驅(qū)動(dòng)荷載并從電路中吸取能量。當(dāng)荷載驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)高于電網(wǎng)頻率時(shí)，如下行膠帶輸送機(jī)一樣，轉(zhuǎn)差將為正值，電動(dòng)機(jī)就處于發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)四象限變頻裝置將電能返回電網(wǎng)。

在可調(diào)速情況下，下行膠帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)四象限變頻裝置，就能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)狀態(tài)的良好轉(zhuǎn)換。這種方法既可以滿足調(diào)速的要求，也可以進(jìn)行電能再生。

2.2 驅(qū)動(dòng)裝置的比較

2.2.1 定速驅(qū)動(dòng)裝置

鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有非常有限的制動(dòng)能力，只能用于小型設(shè)備中。制動(dòng)電機(jī)只能采取關(guān)斷、機(jī)械制動(dòng)或用反向電流進(jìn)行制動(dòng)，而反向電流制動(dòng)方法不常用，因?yàn)榉聪螂娏髦苿?dòng)在換向的一瞬間會(huì)施加一個(gè)很大的反向扭矩，引起膠帶打滑，使返回電網(wǎng)中的電流高于允許值。

出料膠帶機(jī)輸送距離短，電機(jī)功率小，本方案中采用鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，采用直接起動(dòng)或軟起動(dòng)方式。

2.2.2 調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置

本方案中下行膠帶輸送機(jī)以調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置為基礎(chǔ)，它具有四象限（4Q）性，矢量控制，不僅可以實(shí)現(xiàn)正向加速和制動(dòng)，反向加速和制動(dòng)，同時(shí)速度可調(diào)低至零速，降低膠帶輸送機(jī)打滑的可能性，采用四象限變頻裝置，甚至可以做到定位控制。

下行輸送系統(tǒng)通常根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率決定電機(jī)的電壓等級(jí)。一般情況下，容量在1000kW或以上的下行膠帶輸送機(jī)，特別是輸送距離較長(zhǎng)的輸送機(jī)采用10kV或6kV；容量在315～1000kW之間采用690V；容量在315kW以下的采用380V。不管電機(jī)采用何種電壓等級(jí)，能量均可以回收，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目的。

3 基本情況（表1）

4 驅(qū)動(dòng)方法

4.1 可供選擇的驅(qū)動(dòng)方法

輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案可為單驅(qū)動(dòng)或多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。單驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由獨(dú)立變頻器組成，包括整流器和逆變器；而多驅(qū)動(dòng)采用一個(gè)共同的整流器和DC母線，但逆變器是獨(dú)立的，它的控制是相互獨(dú)立的。驅(qū)動(dòng)方案的選擇基本取決于輸送機(jī)中對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的布置。按照目前的方案，下行膠帶輸送機(jī)尾部?jī)膳_(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用多驅(qū)動(dòng)裝置，下行膠帶輸送機(jī)頭部的一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用單驅(qū)動(dòng)裝置。

本項(xiàng)目中下行膠帶輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為315kW，可以選擇380V的變頻裝置，也可以選擇690V的變頻裝置。采用380V的變頻裝置，直接連接至電力室的低壓母線上，其功率單元的電流是690V的2倍，功率單元及逆變器的價(jià)格較高；采用690V的變頻裝置，會(huì)增加整流變壓器（容量約為450kVA左右），但功率單元的電流僅是380V的1/2，功率單元及逆變器的價(jià)格相對(duì)較低。綜合比較，采用690V變頻裝置比較經(jīng)濟(jì)（需要說(shuō)明的是，不同的品牌價(jià)格不一樣）。

在這個(gè)項(xiàng)目中，分別在破碎車間附近、下行膠帶輸送機(jī)尾部（中間膠帶輸送機(jī)頭部）和下行膠帶輸送機(jī)頭部各設(shè)置了一個(gè)電力室，電力室距驅(qū)動(dòng)電機(jī)的距離小于100m。

4.2 變速驅(qū)動(dòng)方法

4.2.1 單驅(qū)動(dòng)配置的基本原理（圖2）

頭部變頻裝置由10kV配電站、10/0.72kV配電變壓器、濾波裝置、功率單元、逆變器等組成。

4.2.2 多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本原理

與單驅(qū)動(dòng)裝置不同，多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶有自己的整流器、DC母線和逆變器。多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在“中心”單元產(chǎn)生所需的DC電壓，并將其輸入共用DC母線中，母線連接專用的、獨(dú)立運(yùn)行的逆變器。單驅(qū)動(dòng)所要求的所有性質(zhì)多驅(qū)動(dòng)也具備。對(duì)于多個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置放置在同一個(gè)地點(diǎn)的膠帶輸送機(jī)來(lái)說(shuō)，帶有共用DC母線的多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是最佳選擇。如果系統(tǒng)擁有一個(gè)以上膠帶輸送機(jī)，那么驅(qū)動(dòng)裝置將被固定放置在轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)上，以便兩條輸送帶的傳動(dòng)裝置可以連接成一個(gè)多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但每一個(gè)系統(tǒng)必須單獨(dú)考慮以找到最佳設(shè)計(jì)方案。

表1 膠帶輸送機(jī)的技術(shù)參數(shù)

圖2 頭尾部變頻驅(qū)動(dòng)方案

與共用DC母線相連接的獨(dú)立變頻器不必具有相同的額定功率，相反，多驅(qū)動(dòng)機(jī)組可由大小完全不同的驅(qū)動(dòng)裝置組成，功率輸出以及電動(dòng)機(jī)速度也可以不同?？偟碾姍C(jī)額定安裝功率不應(yīng)超過(guò)中心輸入饋電電橋的額定功率。所有獨(dú)立電動(dòng)機(jī)的端電壓應(yīng)是相同的，因?yàn)榭勺兊淖冾l器輸出電壓取自共用的DC母線。每個(gè)變頻器單獨(dú)與總控制系統(tǒng)相連接，這樣才能對(duì)電動(dòng)機(jī)獨(dú)立控制。每個(gè)變頻器模塊具有四象限驅(qū)動(dòng)的固有電容。

5 控制方案

下行膠帶輸送機(jī)長(zhǎng)4127.207m，在頭端裝有一臺(tái)額定功率為315kW/690V的電動(dòng)機(jī)，尾部裝有兩臺(tái)額定功率為315kW/690V的電動(dòng)機(jī)。三臺(tái)電動(dòng)機(jī)完全相同，可以互換，所以只需一臺(tái)備用電動(dòng)機(jī)。

多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置在下行膠帶輸送機(jī)的尾部電力室，采用一臺(tái)容量為1000kVA的變壓器。兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別裝有獨(dú)立的逆變器，逆變器與共用的DC母線相連。這些逆變器的運(yùn)行是彼此獨(dú)立的，并帶有各自的Profi?bus-DP與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連。

6 安全防護(hù)

6.1 緊急制動(dòng)

下行膠帶輸送機(jī)所用的防護(hù)方法與其他下行或上行輸送設(shè)備所用的方法相同。運(yùn)行時(shí)，載有物料的下行反饋輸送機(jī)必須保證供電防止停機(jī)，驅(qū)動(dòng)裝置的供電中斷和機(jī)械損壞都會(huì)引起膠帶和荷載失控，正確進(jìn)行制動(dòng)則是防止這種情況發(fā)生的關(guān)鍵。實(shí)際上，所有高度發(fā)生變化的輸送機(jī)，除了驅(qū)動(dòng)裝置自己提供的制動(dòng)力外，還需要一個(gè)機(jī)械制動(dòng)裝置，該裝置可在驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)法制動(dòng)時(shí)使用，并對(duì)停止后的輸送機(jī)起固定作用。

對(duì)于下行膠帶輸送機(jī)來(lái)說(shuō)，還需要施加一個(gè)調(diào)節(jié)扭矩，使荷載以合適的速率減速。扭矩過(guò)高會(huì)造成膠帶應(yīng)力過(guò)高，并在制動(dòng)膠帶輥和膠帶之間出現(xiàn)打滑。當(dāng)膠帶輥和膠帶之間的阻力下降且膠帶起動(dòng)打滑時(shí)，情況就會(huì)變得很危險(xiǎn)，這時(shí)幾乎無(wú)法將膠帶停下來(lái)。這就是為什么要用驅(qū)動(dòng)裝置以正常的制動(dòng)方式施加一個(gè)20s的調(diào)節(jié)扭矩的重要性，這種扭矩也可用制動(dòng)器施加。通過(guò)測(cè)定并比較兩個(gè)速度值可檢測(cè)膠帶是否打滑。第一個(gè)速度可在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)上或驅(qū)動(dòng)輥上測(cè)得，另一個(gè)是輸送機(jī)系統(tǒng)的空轉(zhuǎn)速度或直接從膠帶上測(cè)得。如果檢查出膠帶打滑，應(yīng)立即松開(kāi)制動(dòng)直到兩個(gè)測(cè)速點(diǎn)上的速度相同，隨后通過(guò)調(diào)節(jié)制扭矩重新制動(dòng)。另外，制動(dòng)器必須能夠提供足夠的固定力，使裝滿物料而又停運(yùn)的輸送機(jī)安全地保持靜止。

6.2 用機(jī)械制動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)扭矩

只用電動(dòng)機(jī)來(lái)制動(dòng)相對(duì)較簡(jiǎn)單，因?yàn)橹苿?dòng)扭矩與電動(dòng)機(jī)（發(fā)電機(jī)）的電流有直接的關(guān)系，只要調(diào)節(jié)電流就可直接調(diào)節(jié)扭矩。而在緊急情況下使用的機(jī)械制動(dòng)需要一些附加的機(jī)械調(diào)節(jié)裝置才能施加合適的制動(dòng)扭矩。要做到這點(diǎn)需結(jié)合使用荷載傳感器，這些傳感器測(cè)定制動(dòng)扭矩，然后通過(guò)液壓系統(tǒng)將正確的制動(dòng)信息提供給盤(pán)式制動(dòng)器，在這些信息的基礎(chǔ)上，施加合適的制動(dòng)扭矩而不會(huì)給膠帶施加應(yīng)力。

6.3 膠帶控制

膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)要求有一個(gè)包括驅(qū)動(dòng)控制器和膠帶控制系統(tǒng)控制的控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)控制器提供起動(dòng)、運(yùn)行和停止所需的速度和扭矩?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)膠帶機(jī)的各種保護(hù)裝置的狀態(tài)，執(zhí)行運(yùn)轉(zhuǎn)和停止指令，如跑偏、打滑、撕裂、張緊力調(diào)整、拉繩等。對(duì)于輸送口的下料料斗還應(yīng)設(shè)置料位開(kāi)關(guān)，以正確反映出膠帶輸送機(jī)的進(jìn)料情況。膠帶控制系統(tǒng)包括膠帶機(jī)的各種保護(hù)裝置、操作員站、起動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)、聯(lián)鎖、起停順序、調(diào)速及能量回收等。

6.4 保護(hù)措施

放置在下行膠帶輸送機(jī)上的大量物料儲(chǔ)有很高的勢(shì)能，任何情況下都必須保證安全控制。從人員和設(shè)備的安全考慮，需要遵守較高標(biāo)準(zhǔn)。拉繩開(kāi)關(guān)是為緊急情況下安全操作考慮的，由一條沿輸送機(jī)設(shè)置的鋼絲繩操控。任何一點(diǎn)拉住鋼絲繩都會(huì)使拉繩開(kāi)關(guān)動(dòng)作，開(kāi)啟安全緊急停止電路或機(jī)械制動(dòng)器。每個(gè)開(kāi)關(guān)是雙向的，上有兩根方向相反的鋼絲繩，內(nèi)部的彈簧機(jī)構(gòu)使拉繩開(kāi)關(guān)具備自動(dòng)復(fù)位功能。由于拉繩（鋼絲繩）的懸掛環(huán)的阻力、鋼絲繩自身重力以及鋼絲繩與拉繩開(kāi)關(guān)連接位置的角度關(guān)系，雙向拉繩開(kāi)關(guān)的設(shè)置間隔應(yīng)為20～30m，以保證拉繩開(kāi)關(guān)的靈敏性。跑偏開(kāi)關(guān)設(shè)置在膠帶的兩側(cè)，用于檢測(cè)膠帶偏離中心線的程度，分輕度與重度跑偏，輕度跑偏報(bào)警，重度跑偏就需停機(jī)檢修，因此跑偏開(kāi)關(guān)的安裝位置應(yīng)與膠帶機(jī)的運(yùn)行保持一致，減少誤停情況。

拉繩開(kāi)關(guān)是作為緊急情況設(shè)置的，比如，有設(shè)備及人身安全情況發(fā)生時(shí)，需要立即停止膠帶輸送機(jī)，拉動(dòng)拉繩開(kāi)關(guān)的鋼絲繩，膠帶輸送機(jī)就應(yīng)立即停止，因此拉繩開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)直接接至控制回路中，不經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)柜I/O點(diǎn)。這是常規(guī)使用的方法，其優(yōu)點(diǎn)是直接、可靠；缺點(diǎn)是控制電纜隨膠帶輸送機(jī)的長(zhǎng)度而增加，成本較高，由于控制電纜電壓降的原因，無(wú)法應(yīng)用于較長(zhǎng)的膠帶輸送機(jī)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也無(wú)法記錄是哪個(gè)位置拉繩開(kāi)關(guān)動(dòng)作了。另一種編碼通信式拉繩開(kāi)關(guān)，通過(guò)網(wǎng)線或光纖連接各個(gè)拉繩開(kāi)關(guān)，連接至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是適用于任何長(zhǎng)度的膠帶輸送機(jī)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以根據(jù)編碼記錄下哪個(gè)位置拉繩開(kāi)關(guān)動(dòng)作了，缺點(diǎn)是不直接作用于控制回路，可能會(huì)由于通信或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的原因發(fā)生拒動(dòng)的情況。跑偏開(kāi)關(guān)反映膠帶輸送機(jī)膠帶的運(yùn)行情況，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I/O柜，可以記錄膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行情況，為檢修保養(yǎng)提供必要的數(shù)據(jù)。對(duì)膠帶輸送機(jī)可以通過(guò)檢測(cè)膠帶及比較滾筒速度，判斷是否出現(xiàn)打滑情況，從而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)起動(dòng)電動(dòng)制動(dòng)裝置或調(diào)整液壓拉緊裝置，或調(diào)整膠帶輸送機(jī)的速度。

7 發(fā)電量的估算

目前還沒(méi)有較為精確的計(jì)算方法計(jì)算下行膠帶輸送機(jī)的發(fā)電量，本文現(xiàn)探討一種簡(jiǎn)易的方法,主要用于效益的估算。

由于下行膠帶輸送機(jī)的能量傳輸主要是勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能，考慮到機(jī)械、空氣、摩擦、效率等因素，估算的綜合系數(shù)k取0.45～0.55。

根據(jù)勢(shì)能的定義：E=mgh

按單位時(shí)間內(nèi)勢(shì)能考慮，由于單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的勢(shì)能是落差、流量、時(shí)間的函數(shù)，故：

因此，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能：P=kE

按額定流量考慮：

即：1h可以提供364～446kWh電能。

式中：

E——?jiǎng)菽?，J

P——功率，kW

ΔQ——流量，kg/h

g——重力加速度9.8m/s2

Δh——高度（落差），m

Δt—時(shí)間，h

按照每天兩班、每班8h的設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間計(jì)算，膠帶機(jī)連續(xù)工作時(shí)間為14～16h。

每天的發(fā)電量為：5096～7136kWh。

按照工業(yè)用電價(jià)格小于一般工商業(yè)及其他用電價(jià)格為0.906元/kWh計(jì)算：每天節(jié)約電費(fèi)約為4600～6465元。

8 結(jié)語(yǔ)

對(duì)下行膠帶輸送機(jī)采用四象限變頻裝置，不僅可以解決膠帶輸送機(jī)的正常運(yùn)行問(wèn)題，同時(shí)回收的電能可以大大降低運(yùn)行成本。