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北京利德华福电气技术有限公司 刘福涛
摘要：采用高压变频器拖动带式输送机，是矿井提高皮带寿命、安全可靠性的重要手段。本文通过对液力耦合器与变频器在皮带机应用的比较、变频调速系统结构的分析，结合山西天地王坡煤业有限公司的皮带改造现场，介绍皮带机系统变频改造相关技术，以及高压变频器在皮带机系统上的应用情况。
关键词：皮带机、高压变频器、矢量控制、转矩协调、主从控制
一、 前言
皮带机在煤矿的使用非常普遍。皮带机上的皮带是一个弹性体，因此，《煤矿安全规程》规定，大功率皮带机必须加设软启动装置。目前煤矿采用的软启动装置绝大部分是液力耦合器。还有使用CST的（集变速箱，耦合器，电液控制为一体）。液力耦合器（液耦）虽然能部分解决皮带机的软启动问题，但还是存在维护工作量大，能耗高，对皮带强度要求高等弊端。随着高压变频技术的不断进步和完善，已经逐步取代传统液耦的位置。
二、用户简介
山西天地王坡煤业有限公司是由天地科技股份有限公司、山西省泽州县国有资产管理处和煤炭科学研究总院共同出资组建的有限责任公司，位于煤炭资源储量丰富的山西省晋城市泽州县境内，距晋城市区约28公里，井田面积29.23平方公里，可采储量2.2亿吨，是山西省、晋城市“九五”期间的重点工程项目之一，矿井年设计规模为150万吨。如图1所示：
图1、天地王坡煤矿办公楼
三、应用现场皮带机系统基本情况介绍
皮带机广泛应用于矿山、冶金、煤炭等部门，是煤矿的关键设备，它肩负着矿井上下输送松散物料或成件物品的重任。根据输送工艺要求，可以单台输送，也可多台组成或与其他输送设备组成水平或倾斜的输送系统，以满足不同布置型式的作业线需要。
天地王坡煤矿的皮带机，由两台电机拖动（2×1400kW），电机配置在机头。如图2所示：
图2双机驱动示意图
主要参数如下
皮带机参数：
输送量Q=1800t/h；输送长度L=1160m；倾角 θ=17°；带宽B=1200mm；带速V=4.5m/s；胶带ST4000；安全系数m=7.34；功率P=1400×2kW；最大张力S=653570N
电机参数：
型号YB710S2-4；频率范围5-50HZ；功率1400kW；电压6000V；电流159.5A；功率因数0.88
图3 皮带机改造现场
四、煤矿皮带机变频调速系统方案设计
首先简要分析在拖动皮带机配置上，传统液耦的劣势及高压变频器的优势。
传统液耦存在的弊端如下：
1、采用液耦，电动机必须先空载启动。工频启动时，最初的电流很大，为电动机额定电流的4～7倍。启动瞬间电流会在启动过程中产生冲击，引起电动机内部机械应力和热应力发生变化，对机械部分造成严重磨损甚至损坏。同时还将引起电网电压的下降，影响到电网内其他设备的正常运行，因此，大容量的皮带机还必须附加电动机软启动设备。如：水电阻；
2、液耦长时间工作时会引起液体温度升高，熔化金合塞，还会引起漏液，增大维护工作量，污染环境；
3、采用液耦时皮带机的加载时间较短，容易引起皮带张力变化，因此对皮带带强度要求较高；
4、一般的皮带机都是长距离大运量，通常都是多电机驱动，采用液耦驱动很难解决多电机驱动时的功率平衡问题。
采用高压变频器对皮带机进行驱动的优势如下：
1、真正实现皮带机软启动。通过电机慢速启动带动皮带机缓慢启动，将胶带内部贮存的能量缓慢释放，可将输送机启停时产生的冲击减至最小，几乎对胶带不造成损害；
2、降低胶带带强。由于变频器启动时间可以在1～3600s内调整，皮带机启动时间通常在60～200s内根据现场情况设定。启动时间延长大大降低对带强的要求，减少设备初期投资。实际应用中，由于降低了启动冲击，机械系统的损耗也随之降低，尤其托辊及滚筒寿命大大延长；
3、实现皮带机多电机驱动时的转矩平衡。应用变频器对皮带机驱动时可以采用一拖一控制，多电机驱动时采用主从或协调柜控制方式，实现转矩平衡；
4、验带功能。低速验带功能是皮带机检修的要求。变频调速系统为无极调速的交流传动系统，在空载验带状态下可调整0～100%额定带速范围内的任意带速；
5、平稳的重载启动。变频器低频运转可输出2.2倍额定力矩，适于重载启动；
6、自动调速。变频器配合煤流传感器可以根据负载轻重自动调节胶带速度，节电的同时还减少了胶带的磨损；
7、节能。对应于煤矿的特殊生产条件，有时，煤的产量是极不均匀的，当然皮带机系统的运煤量也是不均匀的，在负载轻或无负载时，皮带机系统的高速运行对机械传动系统的磨损浪费较为严重，同时电能消耗也较低速运行大的多，但因生产的需要皮带机系统又不能随时停车，采用单独的控制系统对前级运输系统的载荷、本机运输系统的载荷进行分别测量，这样可控制变频器降速或提前升速。对于载荷不均的皮带机系统，可节约电能、降低皮带的磨损。
其次介绍一下皮带机采用变频系统控制，可以选择的不同控制方案。
皮带机由多台电机拖动时，由于各电机输出是通过皮带耦合在一起的，因此需要考虑协调控制问题。根据电机学原理，对于滑差0.01的电机，变频器输出频率相差0.2%时，将会导致约20%的输出转矩不平衡，在轻载时，变频器少量的输出频率差别，还会导致输出频率较低的变频器进入能量回馈状态，进而发生过压故障。因此一般需要采取有效的控制手段，平衡各电机出力。
在实际应用中，根据现场配置和要求不同，可选择如下3种驱动方案：
1、对于功率较小（一般单机额定电流在50A以下），电机数量较少（一般不超过3台），低成本应用场合，可以选择一拖多并联运行方案；
2、对于需要主动进行各电机出力均衡控制的场合，如果电机数量较少，距离较近，系统构成较简单，可采用主-从控制方案；
3、如果电机数量较多，或者相距较远、系统较复杂，可采用统一协调控制方案。
一拖多运行方式。多台电机由一台变频器拖动，可以保证多台的转速相同，电机根据其滑差特性分配负载转矩，需要各电机参数较为一致。此种方式下，由于电机直接并联运行，因此变频器无法控制各电机的出力平衡，各电机出力的平衡性由电机特性差异、滚筒直径差异、皮带包络角差异等因素决定。该方案系统成本最低，但变频器故障将导致皮带系统无法运行，因而不太适用于考虑电机冗余配置的场合。以双机运行为例的主回路结构图如图4所示，图中工频旁路为可选配置。
图4一拖二并联运行方案系统结构
对于需要进行各电机出力均衡主动控制的场合，如果电机数量较少（一般不超过6台），各电机距离较近（一般不超过50米），系统构成较简单，可以采用多机主-从一拖一控制运行方案。此种方式支持N+1冗余系统配置，即任意1台变频器或者电机发生故障时，不破坏主-从控制架构，在皮带系统允许的情况下，可以依靠剩余的变频器和电机继续驱动皮带运行。每台电机由一台变频器拖动，运行在矢量控制方式下。其中一台变频器作为主机，接收来自用户上位控制系统的信号，负责皮带系统的速度控制和整体逻辑控制；其余的变频器作为从机，接收来自主变频器的转矩给定信号和逻辑控制信号，并向主变频器报告自身的状态。由于各变频器执行相同的转矩给定信号，因此各电机的输出转矩相同。 该方案的特点是，系统配置简单、可靠，能够满足N+1的电机配置要求，能够完成主动的转矩协调控制，使各电机出力相同。此系统架构如图5所示：
图5主从一拖一控制方案系统结构
对于需要进行各电机出力均衡主动控制的场合，如果电机数量较多，或者各电机距离较远，系统构成较复杂，或者需要N+2以上的冗余配置，可以采用多机统一协调控制运行方案。此种方式下，每台电机由一台变频器拖动，运行在矢量控制方式下。专设一台协调控制柜，协调控制柜接收来自上位控制系统的转速给定信号和起停逻辑信号，以及来自现场的转速反馈信号，负责皮带系统的速度控制和整体逻辑控制。各变频器均作为从机，接收来自协调控制柜的转矩给定信号和逻辑控制信号，并向协调控制柜报告自身的状态。因为各变频器执行相同的转矩给定信号，故各电机的输出转矩相同，由于各变频器地位相同，因此能够实现多机系统的冗余设计。该方案的特点是控制策略灵活，能够满足用户现场各种实际需求，能够实现复杂系统的协调控制。此系统架构如图6所示：
图6协调柜控制方案系统结构
五、 现场高压变频调速系统及采用的控制方案介绍
现场采用两套北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-VA06/180系列矢量控制高压变频调速系统，额定电压6kV，额定电流180A，额定功率1400kW。如图7所示：
图7高压变频器现场安装情况
该系列高压变频调速系统，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标，满足用户对于矿用负载调速节能、改善生产工艺的迫切需要；为了最大限度的缩短高压变频调速系统安装和改造的施工周期，系统采用了一体化设计的理念，包括变压器柜、功率柜、控制柜等所有部件及内部连线，用户只须连接高压输入、高压输出、低压控制电源和控制信号线即可。在先进的生产和管理环境中，整套系统在出厂前已进行整体测试，确保每一台出厂设备的质量和性能。
为了适用改造项目的需要和降低新建项目的投入，高压变频调速系统中的每一个功能部件可以分步进行安装，确保了高压变频调速系统不会在运输和安装过程中出现意外，方便的前后维护方式、灵活多样的散热方式、高性能的重要进口元器件、先进的生产工艺大大的降低了高压变频调速系统对现场环境的要求。
其主回路如图8所示（图中n代表级数）：
图8系统原理图
HARSVERT-VA系列高压变频调速系统本体由变压器柜、功率柜及控制柜组成。如图9所示：
图9高压变频调速系统示意图
对于两机驱动的皮带机变频控制，为了有效实现电机的负载平衡控制，高压变频调速系统适宜采用主-从方式进行控制。一台变频器作为主控，发出输出转矩给定值，控制另一台高压变频调速系统同步运行。各高压变频调速系统仅对电机的转矩进行控制，从控电机的转速是不可控量，由物理系统的实际特性决定运行两台电机的速度匹配。如图10所示，主控高压变频调速系统控制1#电机的转速，并给出两台电机的输出转矩给定值，从控高压变频调速系统根据收到的电机输出转矩给定值控制2#电机的输出转矩。
图10主-从控制结构负载平衡控制示意图
变频器采用无速度传感器矢量控制技术，对电机转速的精度控制在0.5％以内，如果需要电机需要更高的控制精度，可以采用速度传感器，控制精度在0.1％以内。
主控高压变频调速系统和从控高压变频调速系统均有外部信号连锁控制和状态、报警逻辑信号输出，主控高压变频调速系统接收本地或者远程的“启动”、“停机”和“紧急停机”指令，以及来自从控高压变频调速系统的“紧急停机”指令，从控高压变频调速系统接收来自主控高压变频调速系统的“启动”和“紧急停机”指令，同时接收从控高压变频调速系统本地或者远程联动的“紧急停机”指令。
在两台高压变频调速系统的PLC逻辑程序中进行逻辑互锁，使得两台高压变频调速系统同时启动，同时停机。如图11所示：
图11主-从一拖一控制反馈信号示意图
六、总结
皮带机的驱动系统采用北京利德华福电气技术有限公司生产的全数字交流高压变频器，不但提高了生产效率和系统的综合可靠性，降低了能耗，而且达到了现场安装方便、运行性能安全良好的效果。实践证明，利用技术先进、成熟安全的高压变频调速系统可以全面实现高效调节现场工况，提高系统自动化程度，节约电能的目的。使用高压变频器可以大大降低现场维护量，带来可观的效益，切实响应国家节能降耗的号召，值得大力推广。
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