楊杰 毛震

【摘 要】交流電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)因其有先進(jìn)的調(diào)速方式和顯著的節(jié)能效果而得到了廣泛應(yīng)用。文章通過介紹變頻器的原理，說明了變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦運(yùn)輸機(jī)中應(yīng)用的可行性和合理性。

【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速技術(shù)；煤礦運(yùn)輸機(jī)；交流電動機(jī)

Mine Conveyor Application Frequency technology

Yang Jie，Mao Zhen

（Schenck （Tianjin） Industrial Technology Co.， Ltd Tianjin 300385）

【Abstract】AC motor frequency control technology for its advanced speed way and significant energy savings and has been widely used. The article introduces the principle of the inverter shows the frequency conversion technology in coal mine application feasibility and rationality of transport.

【Key words】Frequency Control Technology；Coal transport；AC motor

1. 前言

（1）隨著現(xiàn)代國內(nèi)外變頻調(diào)速技術(shù)的不斷成熟和提高，變頻器在我國礦山機(jī)電設(shè)備中得到越來越廣泛的應(yīng)用。我礦的上倉強(qiáng)力皮帶輸送機(jī)原采用工頻拖動，液力偶合器傳動，存在傳動效率低、啟動電流沖擊及機(jī)械沖擊大等問題，造成了系統(tǒng)運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)；皮帶和液力偶合器磨損嚴(yán)重，維修及維護(hù)成本高；由于是多電機(jī)驅(qū)動，很難做到多電機(jī)驅(qū)動功率平衡。因此對皮帶運(yùn)輸機(jī)采用變頻控制，能有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益；控制系統(tǒng)本身良好的控制性能和完善的保護(hù)環(huán)節(jié)，能有效避免事故的發(fā)生和延長皮帶機(jī)的使用壽命。本文簡要介紹了煤礦強(qiáng)力皮帶輸送機(jī)的變頻控制改造及使用情況。

（2）交流電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)簡單說就是根據(jù)三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨頻率變化的特性，通過改變交流電機(jī)的供電頻率進(jìn)行調(diào)速的一種技術(shù)方法，因其有先進(jìn)的調(diào)速方式和顯著的節(jié)能效果，而得到了廣泛應(yīng)用。尤其是煤礦生產(chǎn)企業(yè)中變頻器的應(yīng)用更是廣泛。在煤炭行業(yè)中使用的生產(chǎn)機(jī)械絕大部分是通過電動機(jī)來拖動的，如采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、提升機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備都采用電動機(jī)拖動，而運(yùn)輸機(jī)更是煤礦生產(chǎn)中的主要運(yùn)輸工具，在露天煤礦的煤炭作業(yè)中，最重要的環(huán)節(jié)就是運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)。該環(huán)節(jié)能否正常運(yùn)行直接影響到整個系統(tǒng)的能力的發(fā)揮，因此，如何合理有效的對運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行正確的監(jiān)控就十分重要。隨著電力電子技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能也大大得到了提高?，F(xiàn)在工業(yè)中應(yīng)用的變頻器技術(shù)已經(jīng)具有性能高、功能多及小型廉價等特點(diǎn)，由于變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦提升機(jī)、鍋爐鼓引風(fēng)機(jī)等方面的優(yōu)越表現(xiàn)，將其應(yīng)用到煤礦運(yùn)輸機(jī)方面已是勢在必行。本文說明把變頻器應(yīng)用到煤礦運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的必要性，并以煤礦運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)為例，討論變頻調(diào)速技術(shù)在這方面的應(yīng)用。

2. 變頻調(diào)速技術(shù)的原理

2.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器主體、電抗器及輔助器件組成，各器件之間相互配合完成對電動機(jī)的速度控制、故障保護(hù)等功能。變頻器主體采用可控硅整流，并采用若干IGBT功率器件組成逆變器，由交流供電經(jīng)上級饋電開關(guān)進(jìn)入整流模塊，整流成直流，然后進(jìn)濾波電容后進(jìn)入IGBT把直流逆變?yōu)檫m當(dāng)頻率、相位和電壓的交流電來給電機(jī)供電。

2.2 然而，根據(jù)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=60flp（1s），可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)差率s一定時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速n與電動機(jī)電流的頻率f1成正比。所以要想平滑地調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的運(yùn)行速度，只要連續(xù)地改變供電電源的頻率就可以。但當(dāng)FI發(fā)生變化時電動機(jī)的其它參數(shù)也會相應(yīng)的改變，其他參數(shù)一旦改變，電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性就會發(fā)生變化，這樣的結(jié)果就是得不到滿意的調(diào)速特性。要想解決這個問題，根據(jù)電機(jī)學(xué)的知識，需配合著調(diào)節(jié)定子電壓。由電機(jī)學(xué)異步電動機(jī)定子電壓平衡方程式：U1=EI+I121。

定子感應(yīng)電勢的有效值為：E1 4.44flwlOmkwl。

f1：定子頻率；w1：定子的繞組系數(shù)；φm：主磁通；kwl：定子繞組串聯(lián)匝數(shù)；I1：定子電流；z1：定子等效阻抗。

忽略定子壓降，有：

UI≈EI=4.44flwlφmkwl∝c4flφm。

2.3 根據(jù)以上表述，當(dāng)fI下降時，n下降，φm也下降。當(dāng)U1不變時，則U1-E1增大，Im增加。一般電機(jī)工作在額定頻率時，磁路已經(jīng)接近飽和，φm的增加會使電機(jī)的磁路過分飽和，導(dǎo)致Im急劇地增大。其后果是大大降低了電動機(jī)的功率因數(shù)和電動機(jī)的負(fù)載能力。由此分析可以看出，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用可以良好地解決這個問題，使電動機(jī)獲得滿意的調(diào)速特性。

3. 煤礦運(yùn)輸機(jī)的特性

對運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的研究表明，運(yùn)輸負(fù)載特性是恒速負(fù)載。運(yùn)輸機(jī)工作時，系統(tǒng)在不同的低速扭矩下速度幾乎是不發(fā)生變化的。在煤礦的整個生產(chǎn)過程，特別是在煤礦，材料的正常運(yùn)送下，運(yùn)輸機(jī)均勻性的特點(diǎn)是不變的，只是負(fù)載電阻在一定范圍內(nèi)引起扭矩的變化。此外，整個生產(chǎn)過程中的運(yùn)輸，輸送帶的速度幾乎是相同的。運(yùn)輸模式，從操作的角度來看，是零功率，電源，或接近零功率，負(fù)電源。運(yùn)輸長度幾公里到幾十米甚至幾十公里的長度短。此外，低速驅(qū)動系統(tǒng)也應(yīng)該有其職能的經(jīng)驗。在冬季也有一個長期低速運(yùn)行的功能。因此，運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的的系統(tǒng)。變頻驅(qū)動系統(tǒng)，特別是矢量控制系統(tǒng)具有良好的高速性能和低長期運(yùn)行。速度反饋可以預(yù)先給定的速度，扭矩是通過目前的監(jiān)測和控制的自動調(diào)節(jié)，甚至可以根據(jù)實際需要引進(jìn)張力測量和控制過程，使整個交通系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

4. 煤礦運(yùn)輸機(jī)的變頻調(diào)速應(yīng)用分析

（1）運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的機(jī)械和電氣系統(tǒng)，重載高速，并在轉(zhuǎn)型過程中的啟動制動，運(yùn)輸，傳送帶將有很大的動態(tài)張力，可能會導(dǎo)致全部或部分的皮帶滑動，導(dǎo)致傳動皮帶強(qiáng)大的表面和驅(qū)動滾筒墊磨損和熱量，使皮帶和輥之間的粘附系數(shù)降低，甚至難以啟動和運(yùn)行。張力下移動的輸送帶，減少了安全系數(shù)，增加了負(fù)載張緊裝置，附加位移，并有很大的影響，甚至產(chǎn)生很大的機(jī)械損壞。

（2）運(yùn)輸機(jī)的整體工作過程分為三個階段：初級階段決定所需的時問影響整個輸送帶的靜態(tài)電阻驅(qū)動滾筒階段實施，需要從過去的輥傳動滑輪的靜態(tài)電阻組反映回來的時間來決定；在起動的一瞬間，靜阻力變?yōu)閯幼枇?，帶段開始運(yùn)動。在這個過程中，由于靜態(tài)到動態(tài)電阻的突變，使輸送帶產(chǎn)生振動，導(dǎo)致輸送帶截面內(nèi)的動張力上升。起動過程中的運(yùn)輸，皮帶張力初始張力的基礎(chǔ)上增加，在驅(qū)動滾筒的驅(qū)動器輸入的推動力傳送帶周圍的切入點(diǎn)，并促進(jìn)返回輸送。運(yùn)輸階段是由初級階段啟動到額定轉(zhuǎn)速，這個過程中的運(yùn)輸機(jī)是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，因為使用的交流電機(jī)的特點(diǎn)，往往在輸送帶出發(fā)時，產(chǎn)生最大的過程中的動態(tài)張力。輸送帶是一個粘彈性體，在驅(qū)動力的作用下會產(chǎn)生粘彈性變形，由于不穩(wěn)定而產(chǎn)生動張力，同時輸送帶在起動前各部分的靜阻力各不相同，是一個逐級起動的過程。對輸送帶中的某一帶段來說，只有它兩端的拉力差大于它所受的靜阻力時，才會起動。當(dāng)輸入的驅(qū)動力突變時，對輸送帶會產(chǎn)生沖擊，產(chǎn)生峰值張力，它和運(yùn)輸機(jī)的長度，運(yùn)行阻力，輸送帶的力學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān)。最有效的調(diào)整辦法是通過變頻驅(qū)動裝置改變驅(qū)動裝置的機(jī)械特性，使輸入平穩(wěn)變化，以消除峰值張力。

（3）在非穩(wěn)定運(yùn)動狀態(tài)下，輸送帶除受靜張力作用之外，還受速度變化引起的附加動張力的作用。運(yùn)輸機(jī)啟動后阻轉(zhuǎn)矩的大小與傳輸速度無關(guān)，屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。當(dāng)動張力與靜張力疊加在一起時，這種情況會引起驅(qū)動滾筒處運(yùn)輸機(jī)張力的急劇增大，使運(yùn)輸機(jī)的工況處于不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至使輸送帶滾筒和電機(jī)及其它部件損壞，導(dǎo)致運(yùn)輸機(jī)無法工作。加入變頻調(diào)速技術(shù)控制后的系統(tǒng)在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，變頻系統(tǒng)具有的變頻調(diào)速裝置首先改變供電電壓的頻率使電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)速特性改變，按照系統(tǒng)事先設(shè)定好的時間范圍慢慢由零轉(zhuǎn)速增大到運(yùn)行速度，整個過程對電網(wǎng)無沖擊，啟動過程平穩(wěn)可靠，大大延長運(yùn)輸機(jī)電機(jī)的使用壽命、減少運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)機(jī)械部份的檢修工作任務(wù)量。使用中，重載平穩(wěn)起動效果明顯，本變頻調(diào)速系統(tǒng)還增加了速度調(diào)整功能，智能的根據(jù)運(yùn)輸機(jī)上的煤炭的重量對運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，不管負(fù)荷大小都可智能的加以區(qū)分，并根據(jù)實際情況實現(xiàn)平穩(wěn)起動，將電機(jī)的起動和運(yùn)輸機(jī)的起動合二為一，慢速起動電機(jī)，帶動運(yùn)輸機(jī)緩慢起動，慢慢釋放皮帶內(nèi)部貯存的能量，使運(yùn)輸機(jī)在起動過程中產(chǎn)生的張力化解掉，這樣可對皮帶的損害降到最小。實踐證明，該系統(tǒng)投入實際運(yùn)行后，整個運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的故障明顯減少，托輥及滾筒的壽命延長，并且實現(xiàn)了運(yùn)輸機(jī)多電機(jī)驅(qū)動時的功率平衡。

5. 經(jīng)濟(jì)效益

5.1 節(jié)約電能。

皮帶機(jī)電機(jī)功率為3×250kw，平均每天運(yùn)行12h左右.原設(shè)計采用直接起動，起動后電機(jī)全速運(yùn)行，而井下煤倉下煤量達(dá)不到皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸能力，故皮帶上煤量不足，這樣很不經(jīng)濟(jì)，浪費(fèi)電能。使用變頻器對拖動電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速后，皮帶運(yùn)輸機(jī)按實際需要功率出力，把變頻器輸出頻率設(shè)為39hz～40hz，電機(jī)轉(zhuǎn)速比工頻速度適當(dāng)降低，就可以使皮帶運(yùn)行速度與井下煤倉下煤量相匹配，同時降低了運(yùn)行電壓和電流，減小電能消耗。據(jù)礦井統(tǒng)計，變頻調(diào)速運(yùn)行比直接工頻運(yùn)行可節(jié)約電能10%～15%。

5.2 節(jié)省維修費(fèi)用。

原設(shè)計采用電機(jī)直接起動，不能調(diào)速，起動過程對電網(wǎng)、電機(jī)和傳動機(jī)械設(shè)備沖擊較大，加劇了機(jī)械設(shè)備的磨損，縮短了設(shè)備使用壽命，同時也縮短了設(shè)備維修周期，增加了停產(chǎn)檢修次數(shù)。直接起動也造成控制設(shè)備如真空接觸器、開關(guān)等的頻繁更換，這都增加了維修費(fèi)用，停產(chǎn)檢修也造成煤炭產(chǎn)量的損失。而采用變頻器后，可以實現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)軟啟動，對電網(wǎng)和機(jī)械傳動設(shè)備基本無沖擊，大大延長設(shè)備使用壽命。自2008年10月投運(yùn)至今近兩年，一直穩(wěn)定運(yùn)行，除正常清潔維護(hù)外，沒有發(fā)生停產(chǎn)檢修故障，這無疑節(jié)約了維修成本又保證生產(chǎn)不受損失。

5.3 有效減少人力資源、降低了設(shè)備的維護(hù)量。

變頻器是一種電子器件的集成，它將機(jī)械的壽命轉(zhuǎn)化為電子的壽命，壽命很長，大大降低設(shè)備維護(hù)量。同時，利用變頻器的軟起動功能實現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟起動，起動過程中對機(jī)械基本無沖擊，也大大減少了皮帶機(jī)系統(tǒng)機(jī)械部份的檢修量。除正常清潔維護(hù)，沒有大量的維修工作，故不必配備許多設(shè)備維修人員。變頻器操作簡單方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，每班只需1人值班操作即可，節(jié)約了人力資源，相應(yīng)也提高了生產(chǎn)效率[5]。

6. 結(jié)束語

（1）防爆變頻調(diào)速裝置投入運(yùn)行后，我礦整個上倉強(qiáng)力輸送機(jī)系統(tǒng)及驅(qū)動電機(jī)的事故明顯下降，既延長了整個膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)的使用壽命，同時又保證了正常生產(chǎn)和生產(chǎn)安全，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯。

（2）總之，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造后的傳統(tǒng)煤礦的運(yùn)輸機(jī)電控系統(tǒng)，具有設(shè)備體積小、調(diào)速范圍大、調(diào)速特性好、無級調(diào)速、效率和功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，具有明顯的節(jié)能降耗作用，還能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。實踐證明，它不僅擁有較高的性價比，而且大大提高了皮帶機(jī)的可靠性，降低了機(jī)械系統(tǒng)損耗，同時減少了運(yùn)輸系統(tǒng)的維護(hù)量，且節(jié)能明顯，在煤礦中值得推廣和應(yīng)用。

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[文章編號]1619-2737（2015）05-31-372