毛鑫鑫

(山西晉煤集團(tuán) 晉圣鳳紅煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

0 引言

目前，陜西、晉冀地區(qū)大型煤礦井下帶式輸送機(jī)通常配備CST可控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。盡管該驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以較好地實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)和高效運(yùn)行，但仍有故障率高、運(yùn)行投入量大、耗能量大問(wèn)題[1-3]。與之相比，變頻傳輸系統(tǒng)可以有效地彌補(bǔ)CST可控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，并能進(jìn)一步改善帶式輸送機(jī)的運(yùn)行性能。

1 帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

帶式輸送機(jī)向長(zhǎng)運(yùn)程、大負(fù)載、高效率及大馬力方向發(fā)展，已成為煤礦保證生產(chǎn)效率的關(guān)鍵運(yùn)輸裝置。帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式可分為雙速電動(dòng)機(jī)、液力偶合器、CST可控驅(qū)動(dòng)等，但這些方式都具有以下不足[4]。

1) 帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率很大，因此，高速運(yùn)行使帶式輸送機(jī)容易出現(xiàn)磨損，經(jīng)常需要更換輸送帶。

2) 帶式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)拿禾苛渴菚r(shí)刻變化的，若其始終保持高速工作狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致電能的浪費(fèi)。

2 變頻傳輸系統(tǒng)特點(diǎn)[5-6]

圖1為變頻傳輸系統(tǒng)的示意圖。

圖1 變頻傳輸系統(tǒng)示意圖

變頻傳輸系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

1) 轉(zhuǎn)矩大起動(dòng)平滑。變頻驅(qū)動(dòng)器起動(dòng)時(shí)，依照負(fù)載的情況繪制與其對(duì)應(yīng)的S型加減速曲線，電動(dòng)機(jī)扭矩大，盡可能地減少對(duì)電動(dòng)機(jī)和輸送帶的過(guò)分損耗，可以提高帶式輸送機(jī)的運(yùn)行年限，減少維修成本。但在實(shí)際工作中有時(shí)會(huì)因?yàn)橥ｋ姽收蠈?dǎo)致大負(fù)載情況下帶式輸送機(jī)停機(jī)，故也需保證負(fù)載起動(dòng)性能。變頻器通過(guò)DTC控制技術(shù)，低頻運(yùn)行最高能輸出200%額定扭矩，可以保證負(fù)載起動(dòng)的平滑進(jìn)行。

2) 系統(tǒng)調(diào)控精準(zhǔn)，可以實(shí)時(shí)調(diào)整。使用總線通信連接多個(gè)變頻器，將其中之一設(shè)為主機(jī)，通過(guò)主從控制實(shí)現(xiàn)對(duì)從機(jī)的操作及自動(dòng)啟停、制動(dòng)系統(tǒng)和張緊器等的調(diào)控，而且能把工作狀態(tài)上傳到煤礦的調(diào)度監(jiān)測(cè)平臺(tái)。變頻器能精準(zhǔn)調(diào)節(jié)力矩，通過(guò)輸出功率調(diào)節(jié)速度，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，保持轉(zhuǎn)速恒定。

3) 形成多機(jī)聯(lián)合控制平衡。由于帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)相互間是撓性連接，運(yùn)行中往往會(huì)發(fā)生多臺(tái)電動(dòng)機(jī)載量分配失衡。而使用變頻器來(lái)操作配有多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的帶式輸送機(jī)時(shí)，采取了一拖一操作，即1臺(tái)變頻器控制1臺(tái)電動(dòng)機(jī)，多個(gè)變頻器共同聯(lián)合“1+N”調(diào)節(jié)方式。主變頻器向其他變頻器發(fā)送轉(zhuǎn)矩信息，實(shí)現(xiàn)主從控制、扭矩閉環(huán)調(diào)節(jié)，達(dá)到精準(zhǔn)的速率調(diào)節(jié)和有效的負(fù)載均衡。

4) 具備帶式輸送機(jī)自檢模式。變頻器具有驗(yàn)帶運(yùn)行功能，提前設(shè)定驗(yàn)帶頻率，可以使帶式輸送機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，方便驗(yàn)帶檢查操作，快速掌握帶式輸送機(jī)的損耗狀況，維持安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

5) 降低故障率、減少裝置的修理次數(shù)。高質(zhì)量的變頻器因沒有物理和液壓油損耗，其穩(wěn)定性大幅提高，變頻器的軟起動(dòng)特性使帶式輸送機(jī)可平穩(wěn)起動(dòng)，開機(jī)過(guò)程中對(duì)帶式輸送機(jī)的損耗更低，降低斷帶事故的出現(xiàn)。

6) 綠色節(jié)能。具體表現(xiàn)為:

(1) 自動(dòng)負(fù)載調(diào)節(jié)速率。由于井下的特殊工作環(huán)境，帶式輸送機(jī)的負(fù)載量時(shí)有變化，當(dāng)負(fù)載量少時(shí)，帶式輸送機(jī)的極速運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)物理傳動(dòng)部件的損耗很大，所需電量也高于低速狀態(tài)。變頻器能夠結(jié)合實(shí)際的負(fù)載量，自行調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率，降低輸送帶的磨損，節(jié)約用電量。

(2) 使用變頻器能將功率因數(shù)至少提高到0.96，減少了無(wú)功功率。

(3) 傳遞效率高。變頻器調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)和減速器的直接連結(jié)，傳遞效率可提升5%～10%。

(4) 多機(jī)帶動(dòng)一臺(tái)帶式輸送機(jī)，將一臺(tái)從機(jī)當(dāng)做備用機(jī)，主機(jī)結(jié)合運(yùn)載量情況實(shí)施脫機(jī)與并機(jī)操作，可以降低能量消耗。

3 變頻驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 實(shí)際應(yīng)用情況

鳳紅煤礦是年產(chǎn)量1 000萬(wàn)t的特大型煤礦,20110采煤工作面回采巷道總長(zhǎng)度8 000 m，共設(shè)置2臺(tái)帶式輸送機(jī)，帶寬1.4 m，傳輸速度4.5 m/s，載量3 500 t/h，電壓1 140 V。其中一臺(tái)是使用之前的3 000 m帶式輸送機(jī)，驅(qū)動(dòng)源是機(jī)頭4×400 kW電動(dòng)機(jī)+4×CST420KS;另一臺(tái)是新購(gòu)的5 000 m帶式輸送機(jī)，驅(qū)動(dòng)源是機(jī)頭3×500 kW電動(dòng)機(jī)+中部3×500 kW電動(dòng)機(jī)+6×BPJ-500/1140變頻器。機(jī)頭至中區(qū)的長(zhǎng)度為2 600 m。前邊3部與中間3部變頻器使用光纖進(jìn)行連接，組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。該套帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)及保障系統(tǒng)由變頻器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、電動(dòng)機(jī)、操作臺(tái)、張緊部件、減速器油泵、通風(fēng)機(jī)和帶式輸送機(jī)安全部件等組成，而變頻器是其中的調(diào)節(jié)中樞。6部變頻器組建總線網(wǎng)絡(luò)，使用操作臺(tái)操作處于前端的1號(hào)機(jī)，后端其他從機(jī)與主機(jī)同步工作，形成動(dòng)態(tài)功率平衡并對(duì)帶式輸送機(jī)的速率調(diào)節(jié)、關(guān)機(jī)等詳細(xì)配置，見圖2。

2016年3月上述變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在平穩(wěn)工作一年多后被應(yīng)用到20112采煤工作面回采帶式輸送機(jī)上，運(yùn)行效果很好。

1) 變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備在系統(tǒng)啟、停及工作過(guò)程中，各類事故報(bào)警、錄入狀態(tài)、輸出狀態(tài)、調(diào)節(jié)方式、變頻器運(yùn)行狀況、設(shè)備連接狀態(tài)等情況能直觀地顯示出來(lái)，見圖3。

2) 變頻器具有多種保護(hù)手段，多項(xiàng)檢測(cè)安全后才可以起動(dòng)，倘若有一項(xiàng)檢測(cè)不合格則無(wú)法正常起動(dòng)。

3) 裝置在工作時(shí)對(duì)水溫、事故起因、設(shè)備連接進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，確保了帶式輸送機(jī)在起動(dòng)前及起動(dòng)后的平穩(wěn)工作。

4) 即使帶式輸送機(jī)在滿載時(shí)發(fā)生故障停機(jī)，也能重新平滑起動(dòng)避免使用人力從帶式輸送機(jī)上鏟煤提高了工作效率。

3.2 永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用效果分析

與傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)比較，永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)裝置能耗明顯更低。與“異步電動(dòng)機(jī)+CST驅(qū)動(dòng)裝置”相比，相同工況下永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)裝置的能耗量?jī)H為前者的77.7%。具體對(duì)比數(shù)據(jù)見表1。

1)CST驅(qū)動(dòng)裝置(CST+異步電動(dòng)機(jī)+減速器+油冷)傳動(dòng)效率為0.821，傳動(dòng)消耗為400×3×(1-0.821)=215 kW，而且CST中油冷部件消耗(包含泵、排氣扇、加熱)為106.5 kW，按滿載驅(qū)動(dòng)算，CST裝置的總消耗為321.5 kW。

圖2 鳳紅煤礦變頻器驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)平臺(tái)示意圖

(a)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)

(b)后臺(tái)控制界面圖3 帶式輸送機(jī)控制設(shè)備圖表1 驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)效率對(duì)比

參數(shù)類型CST驅(qū)動(dòng)永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率/kW400400電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)/%85.099.0電動(dòng)機(jī)效率/%92.097.0減速器效率/%92.0100.0聯(lián)軸器1效率/%98.598.5聯(lián)軸器2效率/%98.5100.0裝置傳動(dòng)效率/%82.195.5

2) 永磁同步變頻驅(qū)動(dòng)裝置(變頻器+永磁電動(dòng)機(jī))傳動(dòng)效率為0.955，無(wú)油冷部件，其消耗為0。按滿載驅(qū)動(dòng)算，裝置總消耗400×3×10.955=54 kW,裝置對(duì)比節(jié)能率為(321.5-54)/1 200×100%=22.3%。

4 結(jié)論

1) 變頻驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在鳳紅煤礦20110和20112采煤工作面長(zhǎng)期應(yīng)用狀況較好，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)操控簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、穩(wěn)定性高、維修次數(shù)少、維護(hù)簡(jiǎn)單、起動(dòng)平滑、變速效果好，能保證煤礦井下帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

2) 該驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地小，電動(dòng)機(jī)直接與滾筒連接，減小了機(jī)頭體積。傳動(dòng)效率高，改善了裝置共振、噪聲情況，優(yōu)化了生產(chǎn)環(huán)境?？蛰d及負(fù)載工作時(shí)節(jié)能成效顯著，速率可調(diào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可低速運(yùn)行。裝置由永磁電動(dòng)機(jī)和滾筒構(gòu)成，便于操作，穩(wěn)定性強(qiáng)，故障率極低。隨著該裝置的繼續(xù)優(yōu)化提升，將來(lái)能夠推廣到井下作業(yè)的其他驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。