張永華

（國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 哈爾烏素露天礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

隨著技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)家對(duì)綠色礦山的要求，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)在露天礦運(yùn)輸中承擔(dān)著運(yùn)輸煤炭的重要作用，驅(qū)動(dòng)方式由工頻電源直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著變頻技術(shù)逐步發(fā)展，使用變頻器驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)越性越來(lái)越明顯。

1 哈爾烏素選煤廠原煤車間輸煤系統(tǒng)

輸煤系統(tǒng)主要包括3 套進(jìn)口英國(guó)MMD 破碎站、11 條大型遠(yuǎn)距離帶式輸送機(jī)、2 臺(tái)大型堆取料機(jī)，6 套重型刮板機(jī)，12 路高壓進(jìn)線，42 個(gè)移動(dòng)變配電室，43 臺(tái)6 kV 高壓電機(jī)，452 套五保裝置等設(shè)備組成。原煤車間的帶式輸送機(jī)輸送系統(tǒng)包括軟啟動(dòng)裝置、高壓變頻器、帶式輸送機(jī)保護(hù)裝置等主要裝置及數(shù)字式輸送帶秤、除鐵器、檢修天吊、各式除塵器、破碎噴灑抑塵、超溫灑水系統(tǒng)、配電感溫感煙報(bào)警系統(tǒng)和消防等輔助裝置。其中輸煤輸送帶系統(tǒng)從破碎站到毛煤倉(cāng)全長(zhǎng)11.8 km。帶式輸送機(jī)帶面寬1 600 mm，運(yùn)行帶速4.7 m/s，設(shè)計(jì)上煤量3 500 t/h，其中1＃與2＃系統(tǒng)可以交差配合使用。針對(duì)原煤車間3 號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行了由軟啟動(dòng)改造為高壓變頻啟動(dòng)的智能化升級(jí)，在智能輸送項(xiàng)目中主要M31、M32、M33 3 條帶式輸送機(jī)的變頻調(diào)速是重點(diǎn)。

2 智能化升級(jí)改造后變頻啟動(dòng)技術(shù)方案

高壓變頻國(guó)內(nèi)外技術(shù)90%以上均采用由多個(gè)中壓（690 V）的IGBT 功率單元串聯(lián)而成，各個(gè)單元由移相變壓器的2 次繞阻分別供電，根據(jù)輸出電壓（6 kV/10 kV）等級(jí)不同，由5～9 個(gè)功率單元組成。多級(jí)移相整流方式可以優(yōu)化網(wǎng)側(cè)的電流波形，使負(fù)載以下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1。變壓器副邊側(cè)繞組的獨(dú)立性使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，有效地提高了變頻器整體運(yùn)行的可靠性[1-3]。

1）智能化升級(jí)改造前情況。原煤車間智能化升級(jí)改造前的M31 帶式輸送機(jī)為3 臺(tái)6 kV 高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)電機(jī)的功率為450 kW。原使用液力耦合器將減速機(jī)與驅(qū)動(dòng)滾筒連接。M32、M33 帶式輸送機(jī)均為泰安力博生產(chǎn)的軟啟動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)3 臺(tái)6 kV 高壓電機(jī)，功率為550 kW。采用液力耦合器將減速機(jī)與驅(qū)動(dòng)滾筒連接。3 條帶式輸送機(jī)的電機(jī)高壓電源均取自電機(jī)附近的箱式移動(dòng)變電站中的高壓柜，高壓柜型號(hào)為XGN 型半固定式高壓柜，主回路采用刀開(kāi)關(guān)加真空接觸器方式。

2）智能化升級(jí)改造后情況。智能化改造后將M31帶式輸送機(jī)的3 臺(tái)液力耦合器和M32、M33 帶式輸送機(jī)的6 臺(tái)液力耦合器及軟啟動(dòng)裝置等附屬設(shè)備拆除，改為蛇形彈簧聯(lián)軸器將減速機(jī)與驅(qū)動(dòng)滾筒直接連接。

在3 條帶式輸送機(jī)箱式變電站旁邊新建3 座SolidDrive 系列高壓變頻調(diào)速裝置半移動(dòng)配電室，每座高壓變頻器室內(nèi)配置3 套高壓變頻器，高壓變頻器電源取自原有帶式輸送機(jī)高壓電機(jī)高壓柜，原高壓柜未做改動(dòng)，停送電方式不變。智能化升級(jí)改造后M31、M32、M33 的高壓變頻器調(diào)速技術(shù)方案為直接通過(guò)高壓變頻器對(duì)高壓電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電源由高壓配電柜直接提供。采用的高壓變頻器均由移相隔離變壓器、功率單元柜、控制柜組成，冷卻均采用風(fēng)冷散熱，每個(gè)高壓變頻器室都由3 臺(tái)工業(yè)空調(diào)進(jìn)行冷卻。

3 SolidDrive 系列高壓變頻調(diào)速裝置

SolidDrive 系列高壓變頻調(diào)速裝置采用單元串聯(lián)多電平主電路結(jié)構(gòu)，全數(shù)字無(wú)速度傳感器矢量控制。變頻器功率單元采用標(biāo)準(zhǔn)的配置即6 kV、15 個(gè)功率單元組成，每相5 個(gè)功率單元串聯(lián)組成一相，三相構(gòu)成Y 型接，直接給6 kV 高壓電機(jī)供電。

3.1 功率單元結(jié)構(gòu)

每個(gè)功率單元采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換。另有自動(dòng)旁路功能的功率單元，每個(gè)功率單元全部包含1 塊單元控制板，實(shí)現(xiàn)每個(gè)功率單元與主控系統(tǒng)通訊、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)、IGBT、功率單元的其他保護(hù)等。輸入隔離變壓器的每1 個(gè)次級(jí)繞組只給1 個(gè)功率單元提供電源。加在電機(jī)端子上的電壓是由許多較小幅度電壓疊加所產(chǎn)生的而不是采用較少的大幅度電壓，與標(biāo)準(zhǔn)的PWM 系統(tǒng)不同。每個(gè)功率單元通過(guò)光纖接收信息以產(chǎn)生負(fù)載所需要的輸出電壓和頻率，對(duì)電機(jī)絕緣的電壓應(yīng)力顯著減小而電機(jī)電流的質(zhì)量則較大提高。因?yàn)槊總€(gè)功率單元由變壓器具有不同角度相位差的次級(jí)繞組供電，所以高壓變頻調(diào)速裝置輸入電流失真明顯減少，輸入功率因數(shù)大于0.95。功率單元結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 功率單元結(jié)構(gòu)圖

3.2 Solid Drive 變頻器原理

1）輸入側(cè)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)升級(jí)改造后的高壓變頻調(diào)速裝置輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)功率單元供電。變壓器采用一體化隔離變壓器，H 級(jí)絕緣，絕緣等級(jí)高。采用了杜邦Nomex 技術(shù)，具有高可靠，環(huán)保設(shè)計(jì)。針對(duì)6 kV 系列構(gòu)成30 脈沖整流方式；這種多級(jí)移相疊加的整流方式可大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。輔助繞組給高壓變頻調(diào)速裝置的控制部分供電和高壓變頻的冷卻提供電源[4-5]。

2）輸出側(cè)結(jié)構(gòu)。輸出側(cè)由每個(gè)單元的輸出端子T1，T2 串聯(lián)成星型接法給電機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM 波形進(jìn)行疊加，可得到階梯型的PWM 波形，且波形的正弦度好，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞[6]。輸出不需要輸出濾波器，且電機(jī)無(wú)需降額使用，可直接用于舊電機(jī)的改造。同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減少了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力[7]。當(dāng)某1 個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)單元的自動(dòng)旁路功能（選件）可將故障的單元旁路出系統(tǒng)，而不影響其他單元的正常運(yùn)行，高壓變頻調(diào)速裝置因此可持續(xù)降額運(yùn)行，由此可減少很多場(chǎng)合下因突然故障停機(jī)造成的損失。

4 存在問(wèn)題及解決方案

4.1 移相變壓器及功率單元模塊損壞問(wèn)題

1）故障1。M32 驅(qū)動(dòng)站2＃變頻器故障，A1、A2、C4 3 臺(tái)100 A 功率單元損壞，后續(xù)上電運(yùn)行C2 單元故障；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，共計(jì)損壞4 個(gè)單元，1 臺(tái)移相變壓器次級(jí)繞組線圈有變形現(xiàn)象。電網(wǎng)電壓有瞬時(shí)過(guò)壓的可能導(dǎo)致IGBT 損壞，A1、A2、C4 損壞單元在損壞前均有單元電壓過(guò)高故障記錄；頻繁上高壓電，沖擊浪涌電流有可能造成移相變壓器繞組變形導(dǎo)致絕緣或者電壓畸變?cè)斐蓡卧狪GBT 損傷，后續(xù)在運(yùn)行中損壞；由于原接觸器的使用，導(dǎo)致頻繁送電，勵(lì)磁電流的連續(xù)沖擊，引起單元板控制電源部分的開(kāi)關(guān)管過(guò)壓后損壞，運(yùn)行過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電壓的丟失引起IGBT 逆變模塊損壞。

2）故障2。M32 驅(qū)動(dòng)站1＃變頻器變壓器燒毀，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)原則、生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析和排查，變壓器頻繁接受勵(lì)磁涌流沖擊時(shí)，導(dǎo)致固定繞組的鐵軛墊塊松動(dòng)、錯(cuò)位、脫落；現(xiàn)場(chǎng)粉煤灰主要為碳元素具有導(dǎo)電性，在粉塵狀態(tài)下遇到高溫有閃爆特性，變壓器上高壓后，變壓器線圈風(fēng)道內(nèi)煤粉受到溫度及電磁影響，出現(xiàn)閃爆，促使線圈變形松動(dòng)，變壓器鐵軛墊塊松動(dòng)、錯(cuò)位、脫落。經(jīng)變壓器廠專家分析由于生產(chǎn)需要，變壓器每日頻繁停、送高壓3～7 次，在變壓器啟、停瞬間產(chǎn)生的電磁力使B 相高壓繞組在軸向往復(fù)受力，高壓繞組下端鐵軛墊塊脫落。

由于電氣設(shè)備停、送高壓電瞬間會(huì)產(chǎn)生操作過(guò)電壓，現(xiàn)場(chǎng)變壓器頻繁啟停，遭受系統(tǒng)過(guò)電壓沖擊次數(shù)及擊穿風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行設(shè)備。高壓變頻器應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中盡可能保持通電狀態(tài)，以減少對(duì)變壓器的頻繁沖進(jìn)，因此需要變頻器上游高壓柜時(shí)刻保持送電狀態(tài)。

5＃原煤系統(tǒng)所采用的高壓變頻器供電系統(tǒng)與現(xiàn)有3＃系統(tǒng)供電方式相同，但變頻器上游采用高壓真空斷路器供電，且五保及急停停機(jī)時(shí)，保持上游高壓真空斷路器一直吸合，只停止高壓變頻器。5＃系統(tǒng)高壓變頻器自投產(chǎn)至今，只發(fā)生過(guò)1 次功率單元損壞故障。根據(jù)現(xiàn)有3＃系統(tǒng)高壓配電柜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變頻器上游為高壓真空接觸器，不適合長(zhǎng)期吸合，從生產(chǎn)安全考慮，將對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)高壓真空接觸器進(jìn)行更換，改為真空斷路器。改造初期對(duì)高壓柜內(nèi)母排及保護(hù)裝置進(jìn)行出圖、設(shè)計(jì)、改造，保證生產(chǎn)的操作安全，并將安全保護(hù)信號(hào)納入智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。結(jié)合選煤廠實(shí)際生產(chǎn)情況，逐步對(duì)M31、M32、M33高壓系統(tǒng)進(jìn)行改造。

根據(jù)車間生產(chǎn)的實(shí)際要求變壓器完善維修方案,并督促變壓器將維修壓縮至最短時(shí)間，由原來(lái)的20 d 縮短至最長(zhǎng)不超過(guò)14 d，盡量減少產(chǎn)能損失。維修后的變壓器，由變壓器廠重新檢測(cè)，提供維修合格證，確保產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)關(guān)。

5.2 變頻器室散熱及防塵問(wèn)題

1）問(wèn)題描述。每個(gè)變頻器室有2 臺(tái)10 P 空調(diào)，以解決高壓變頻器工作時(shí)產(chǎn)生大量熱量，但在冬季室外環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，空調(diào)室外機(jī)無(wú)法正常工作，造成變頻器室溫度過(guò)高，高壓變頻高溫故障停機(jī)。冬季在空調(diào)外機(jī)增加保溫措施，在室外溫度-30 ℃，空調(diào)可正常啟動(dòng)運(yùn)行，且停機(jī)次數(shù)明顯減少。在M31、M32、M33 高壓變頻器室空調(diào)室外機(jī)外部增加1 個(gè)不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)護(hù)罩及室外機(jī)自動(dòng)控制保溫方案。護(hù)罩結(jié)構(gòu)采用30 mm×3 mm 的角鋼為框架，1.5 mm 厚鍍鋅板做為殼體，護(hù)罩上方對(duì)應(yīng)空調(diào)室外機(jī)風(fēng)扇設(shè)置出風(fēng)口，出風(fēng)口位置設(shè)置了不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)，在殼體兩側(cè)裝設(shè)有帶不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)的進(jìn)風(fēng)口和抽拉式過(guò)濾網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)拆卸和清理方便檢修。在空調(diào)機(jī)護(hù)罩殼體內(nèi)設(shè)有50 mm 厚保溫棉，為在室外溫度較低時(shí)使用。護(hù)罩內(nèi)在空調(diào)室外機(jī)油管處增加伴熱帶，保證空調(diào)室外機(jī)能正常工作。

2）自動(dòng)保溫。利用熱電阻分別測(cè)量2 個(gè)防護(hù)罩內(nèi)油管溫度，并測(cè)量變頻器室內(nèi)環(huán)境溫度，在智能控制系統(tǒng)內(nèi)增加溫度采集模塊和低壓繼電器，單獨(dú)控制伴熱帶運(yùn)行，伴熱帶采用自限溫阻燃形式，最高加熱溫度到30 ℃。這樣由自動(dòng)控制，當(dāng)防護(hù)罩內(nèi)溫度低時(shí)，PLC 給出信號(hào)控制拌熱帶加熱，保證空調(diào)可隨時(shí)工作，可自動(dòng)區(qū)分冬夏季節(jié)，不因長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)導(dǎo)致室外機(jī)不工作，無(wú)法降溫。此方案施工可行性高、不影響生產(chǎn)、短期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)，安裝后使用效果達(dá)到預(yù)期。

5 結(jié)語(yǔ)

哈爾烏素選煤廠原煤車間3＃系統(tǒng)經(jīng)過(guò)智能化升級(jí)改造后，智能化變頻調(diào)速系統(tǒng)由破碎站的高料位保護(hù)控制、3 條輸送帶智能調(diào)速控制、變頻器及電機(jī)機(jī)務(wù)改造等主要部分組成。由于系統(tǒng)來(lái)煤量不可控，整條輸煤系統(tǒng)在啟動(dòng)后長(zhǎng)期在額定速度運(yùn)行，造成整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)能源浪費(fèi)。一旦某輸送環(huán)節(jié)發(fā)生問(wèn)題，很可能造成堆煤、堵煤和灑煤。采用視頻識(shí)別煤量算法的研究和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)有限元思想離散化方法計(jì)算出輸送帶攜煤量，基于輸煤系統(tǒng)安全及主要運(yùn)行參數(shù)約束，兼顧輸煤系統(tǒng)特點(diǎn)采用分級(jí)控制計(jì)算出輸送帶的變頻器輸出，在安全的前提下減少系統(tǒng)能耗?；陔x散化算法得出的帶式輸送機(jī)攜煤量與煤倉(cāng)儲(chǔ)煤量對(duì)配倉(cāng)系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)升級(jí)改造后大大提高了上煤效率，節(jié)約輸煤過(guò)程中電能消耗，減少了設(shè)備的故障率，同時(shí)也節(jié)約了人力和設(shè)備成本。