宋建平

（西山煤電西曲礦掘進(jìn)四隊(duì)， 山西 古交 030200）

引言

目前，礦井下帶式輸送機(jī)都是采用液力耦合器作為動(dòng)力的傳動(dòng)部件，使用工頻來(lái)進(jìn)行拖動(dòng)。但是這樣的組合能量利用率比較低，并且在電機(jī)啟動(dòng)瞬間的啟動(dòng)電流比較大，各個(gè)傳動(dòng)部件之間的存在沖擊力，同時(shí)當(dāng)有多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)耗能比較大，傳動(dòng)部件磨損嚴(yán)重，維護(hù)成本比較高等。為了解決這一問(wèn)題，某礦對(duì)驅(qū)動(dòng)部件加入了變頻器，在啟動(dòng)時(shí)有效的降低了啟動(dòng)電流，當(dāng)有多臺(tái)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)能夠做到功率平衡，有效地節(jié)約了礦井的電力資源[1]。

1 變頻器工作原理

1.1 四象限變頻器能量回饋原理

一般用到的變頻器稱之兩相限變頻器，其工作原理是采用由二極管組成的整流橋?qū)⒔涣麟娬芍绷麟?，然后再利用IGBT的快速通斷將整流后的直流電再次轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，但這次的交流電是電壓和頻率都可以調(diào)節(jié)的交流電，通過(guò)他來(lái)控制交流電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。但是這種變頻器控制的電動(dòng)機(jī)只能工作在將動(dòng)力輸出的狀態(tài)。其更本原因就是由于整流的二極管整流橋具有單向?qū)ǖ奶攸c(diǎn)，所以無(wú)法將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電能反向運(yùn)輸流到供電網(wǎng)絡(luò)中。礦井下經(jīng)常有一些電機(jī)能夠產(chǎn)生電能的場(chǎng)景，比如說(shuō)提升機(jī)下下來(lái)時(shí)，帶式輸送機(jī)上的物料由高向低運(yùn)輸時(shí)都會(huì)產(chǎn)生電能，目前常采用的辦法是利用電阻來(lái)消耗產(chǎn)生的能量。這樣做在一定程度上造成了電能資源的浪費(fèi)。所以我們通過(guò)在IGBT模塊里集成續(xù)流二極管[2]，這樣便可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，將電機(jī)被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能運(yùn)輸?shù)诫娋W(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。圖1為四象限變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 四象限變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)帶式輸送機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)速超過(guò)變頻器輸出給電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，為了使負(fù)載的速度趨于穩(wěn)定起到制動(dòng)作用，這時(shí)的變頻器必須要向電機(jī)輸出一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的力矩來(lái)提供制動(dòng)所需的力。這個(gè)時(shí)候電動(dòng)機(jī)由于被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)所以此時(shí)正處于發(fā)電狀態(tài)，而產(chǎn)生的電能通過(guò)變頻器直流部分的電路，然后通過(guò)IGBT將這些能量反方向調(diào)制為交流電然后輸送給供電網(wǎng)絡(luò)。這整個(gè)過(guò)程便是一個(gè)將帶式輸送機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。

表1所示為某型號(hào)變頻器在某礦試用3個(gè)月后的統(tǒng)計(jì)情況[3]，從表中我們能夠看出四象限變頻器所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 四象限變頻器在某煤礦電能產(chǎn)出統(tǒng)計(jì)表

1.2 礦井多機(jī)動(dòng)態(tài)功率平衡原理

有時(shí)1臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力不足以驅(qū)動(dòng)整條皮帶，所以需要用多臺(tái)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，這時(shí)便需要配套的多臺(tái)變頻器。而為了使每臺(tái)電機(jī)的輸出動(dòng)力相等就要使每臺(tái)變頻器的輸出功率相等或者是達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。如下頁(yè)圖2所示：1號(hào)電機(jī)為主電機(jī)，而其他的電機(jī)為從電機(jī)，在此基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)功率平衡。電機(jī)通過(guò)變頻器來(lái)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，而后面的從機(jī)可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)功率平衡。1號(hào)主電機(jī)根據(jù)皮帶是否驗(yàn)帶來(lái)計(jì)算需要運(yùn)行的頻率輸出，而從電機(jī)根據(jù)主電機(jī)的輸出頻率來(lái)確定自己的運(yùn)行頻率，但這個(gè)頻率不能偏差太大[4]。當(dāng)運(yùn)行頻率不在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)說(shuō)明出現(xiàn)故障，這個(gè)時(shí)候需要立即停車檢查。為了使帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)更加平穩(wěn)，我們需要在各個(gè)環(huán)節(jié)比如啟動(dòng)、停車、恒速時(shí)所有的從機(jī)輸出頻率都要以主機(jī)為參考點(diǎn)來(lái)不斷地調(diào)整。這樣布置的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)有1臺(tái)電機(jī)或者是變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，其他各臺(tái)能夠及時(shí)地調(diào)整輸出，從系統(tǒng)軟件里自動(dòng)屏蔽故障電機(jī)，從而達(dá)到維持速度的穩(wěn)定，這就能夠最大限度地維持礦井生產(chǎn)的穩(wěn)定。

圖2 帶式輸送機(jī)主從驅(qū)動(dòng)示意圖

2 變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用分析

變頻器就是利用電子元器件將不可控制的交流電經(jīng)過(guò)變化后變?yōu)榭梢钥刂频慕涣麟?，從而?shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)，達(dá)到無(wú)級(jí)變速的目的。同時(shí)也可以將機(jī)械沖擊等減小。通過(guò)變頻器還可以根據(jù)實(shí)際的工作情況隨時(shí)的變化電機(jī)的驅(qū)動(dòng)速度以達(dá)到節(jié)能的目的。使用變頻器主要有以下四個(gè)優(yōu)勢(shì)：第一可以隨時(shí)隨地控制速度，同時(shí)有效地減小能量的損耗。第二能量的傳遞比較直接，可以有效地降低設(shè)備出現(xiàn)故障的頻率，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。第三在維護(hù)方面也比較簡(jiǎn)單。第四工作效率高，相比于軟起有巨大的優(yōu)勢(shì)[5]。

變頻器驅(qū)動(dòng)不論是在驅(qū)動(dòng)速度方面還是驅(qū)動(dòng)效率或者是實(shí)現(xiàn)功率平衡方面都要比傳統(tǒng)的用于調(diào)速的液力藕合器強(qiáng)很多。除此之外變頻器技術(shù)在帶式輸送機(jī)的保護(hù)方面還有很多優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)皮帶的斷帶停機(jī)、安全性等方面都是傳統(tǒng)的軟起方式無(wú)法比擬的，最主要的是在工作效率上能夠獲得極大的提升。

3 應(yīng)用實(shí)例

某礦采用的帶式輸送機(jī)輸送能力是2 000 t/h，總的輸送帶長(zhǎng)度為1 600 m，水平傾斜角為向下的10°～12°，垂直提升的高度在54 m左右，并且是一條下運(yùn)式帶式輸送機(jī)[6]。

在對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)部分電氣改造時(shí)，采用變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將機(jī)頭部位的電機(jī)設(shè)置為主電機(jī)，其他部分的電機(jī)為從電機(jī)。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算后確定驅(qū)動(dòng)方式為兩驅(qū)，每臺(tái)電機(jī)的功率為500 kW同樣每臺(tái)變頻器也采用500 kW的四象限變頻器。圖3所示關(guān)鍵部件包括組合開關(guān)、保護(hù)系統(tǒng)、減速油泵、電機(jī)降溫風(fēng)機(jī)等一系列設(shè)備。

圖3 帶式輸送機(jī)供電系統(tǒng)

本系統(tǒng)由于采用兩驅(qū)的方式所以這里設(shè)置1號(hào)變頻器為主機(jī)，2號(hào)變頻器為從機(jī)。主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行控制的核心，所有的控制命令只需要下達(dá)給主機(jī)便可以實(shí)現(xiàn)功能，包括帶式輸送機(jī)的啟停、對(duì)帶式輸送機(jī)的速度控制、對(duì)膠帶的張緊等復(fù)雜操作。主機(jī)除了要對(duì)1號(hào)電機(jī)進(jìn)行控制外還要對(duì)其他部件進(jìn)行控制比如說(shuō)電機(jī)冷卻用的風(fēng)機(jī)、減速箱冷卻風(fēng)機(jī)等一系列配套設(shè)備。同時(shí)必要時(shí)對(duì)張緊裝置進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)。而從動(dòng)的變頻器需要根據(jù)主機(jī)的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，以及對(duì)附屬部件比如外部循環(huán)的冷卻水、減速箱風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行控制。在整個(gè)運(yùn)行的過(guò)程中設(shè)備之間都是通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信的。

4 結(jié)語(yǔ)

該煤礦運(yùn)用的象限變頻器對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行改造后，解決了帶式輸送機(jī)在運(yùn)輸物料過(guò)程中出現(xiàn)反向力的問(wèn)題，能夠?qū)㈦姍C(jī)產(chǎn)生的電能返回到供電網(wǎng)絡(luò)中，在一定程度上降低了電能的消耗，同時(shí)也解決了多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)相互之間的功率平衡問(wèn)題、液力耦合器在傳動(dòng)時(shí)效率低下、機(jī)械沖擊比較大的問(wèn)題，以及設(shè)備由于機(jī)械沖擊強(qiáng)烈而出現(xiàn)的降低壽命的問(wèn)題，帶式輸送機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，在一定程度上降低了故障率。