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高壓變頻器在煤礦皮帶輸送系統(tǒng)中應(yīng)用綜述

發(fā)布時間:2020-04-17 作者:新風(fēng)光

1 引言

在煤礦上,運(yùn)輸系統(tǒng)主要由皮帶機(jī)、刮板輸送機(jī)和提升機(jī)組成,而在數(shù)量上以皮帶機(jī)為主。以往為了實(shí)現(xiàn)皮帶的軟啟動,需要使用液力耦合器或者液力軟啟動器,這類液力傳動設(shè)備維護(hù)工作量大,能耗高,在機(jī)械上產(chǎn)生劇烈沖擊,加速機(jī)械的磨損;還有皮帶、液力耦合器的磨損和維護(hù)等問題都會給企業(yè)帶來很大數(shù)額的費(fèi)用問題,已越來越不能滿足用戶的要求。隨著高壓變頻技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善,其應(yīng)用范圍越來越廣泛。對煤礦的皮帶輸送機(jī)進(jìn)行變頻改造,對節(jié)約能源、增加煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都具有非常顯著的效果。

2皮帶機(jī)系統(tǒng)基本組成

皮帶機(jī)是用繞經(jīng)頭輪,尾輪而連接起來的膠帶,組成一條封閉的環(huán)形帶,通過電機(jī)受電,由電能轉(zhuǎn)化為動能帶動動頭輪運(yùn)轉(zhuǎn),利用頭輪與皮帶之間的摩擦力帶動皮帶連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

皮帶機(jī)廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、煤炭等部門,是煤礦的關(guān)鍵設(shè)備,它肩負(fù)著礦井上下輸送松散物料或成件物品的重任。根據(jù)輸送工藝要求,可以單臺輸送,也可多臺組成或與其他輸送設(shè)備組成水平或傾斜的輸送系統(tǒng),以滿足不同布置型式的作業(yè)線需要。

皮帶機(jī)的驅(qū)動分類有以下三種方式:單機(jī)驅(qū)動,雙機(jī)驅(qū)動,多機(jī)驅(qū)動。驅(qū)動示意圖分別如圖1,圖2,圖3所示。

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1皮帶機(jī)單機(jī)驅(qū)動示意圖

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2皮帶機(jī)雙機(jī)驅(qū)動示意圖

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3皮帶機(jī)多機(jī)驅(qū)動示意圖

 

以2個拖動電機(jī)為例,說明皮帶系統(tǒng)主要組成:

(1)皮帶機(jī)機(jī)頭,是礦井的出煤口。皮帶從井底拖運(yùn)出來的煤經(jīng)過機(jī)頭位置時,自動被拋卸到礦井煤場。

(2)卸完煤后的空皮帶經(jīng)過一個轉(zhuǎn)向輪,分別通過1#電機(jī)拖動的主動滾筒,和2#電機(jī)拖動的從動滾筒后,皮帶在經(jīng)過一個導(dǎo)向輪運(yùn)行到井底完成一次運(yùn)煤過程。

(3)在礦井的底部,裝有皮帶張緊系統(tǒng),其主要作用是調(diào)節(jié)皮帶的松緊程度,防止皮帶過松導(dǎo)致的兩臺主動輪打滑現(xiàn)象或者重載溜車現(xiàn)象,以及皮帶過緊導(dǎo)致的皮帶異常損傷。

(4)皮帶機(jī)制動與逆止保護(hù)裝置。皮帶機(jī)除了變頻器的保護(hù)系統(tǒng)外,還有自身的一些保護(hù)措施,如油壓制動系統(tǒng),逆止裝置等。現(xiàn)場的油壓制動系統(tǒng)在兩臺動力滾筒上各安裝了一套油壓剎車系統(tǒng)。在停車狀態(tài)或故障狀態(tài)下,兩臺油壓剎車處于制動狀態(tài)。正常生產(chǎn)時,剎車片處于松開狀態(tài)。皮帶機(jī)的逆止裝置安裝在減速器的低速軸上。皮帶機(jī)出現(xiàn)重大故障,其它保護(hù)失效時,逆止裝置通過機(jī)械力阻止重載皮帶向下溜車。

3 皮帶機(jī)的多種驅(qū)動方式比較

目前國內(nèi)井下帶式輸送機(jī)的驅(qū)動方式常用的有:電氣軟啟動、CST、液力偶合器、變頻器等。電氣軟啟動實(shí)質(zhì)是降壓啟動,故機(jī)械特性偏軟,難于滿足功率的帶式輸送機(jī)重載啟動的要求。通過以下比較,從驗(yàn)帶功能、功率平衡精度、節(jié)能、初期投資、后期維護(hù)等方面看,變頻驅(qū)動有著明顯的優(yōu)勢。各方面比較詳見表1所示。

表1皮帶機(jī)的多種驅(qū)動方式

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4煤礦皮帶機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)方案設(shè)計分析

皮帶系統(tǒng)中通常由1臺或2臺電機(jī)驅(qū)動皮帶,但根據(jù)實(shí)際工況不同,也有3臺甚至4臺電機(jī)驅(qū)動皮帶的情況,這樣在變頻調(diào)速改造中就面臨多機(jī)驅(qū)動的問題。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理,對于滑差0.01的電機(jī),變頻器輸出頻率相差0.2%時,將會導(dǎo)致約20%的輸出轉(zhuǎn)矩不平衡,在輕載時,變頻器少量的輸出頻率差別,還會導(dǎo)致輸出頻率較低的變頻器進(jìn)入能量回饋狀態(tài),進(jìn)而發(fā)生過壓故障。因此一般需要采取有效的控制手段,平衡各電機(jī)出力。在實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)現(xiàn)場工藝不同,可以選擇不同的變頻控制方案。變頻控制皮帶機(jī)有多種方式,有一拖一控制,一拖二控制,一拖多控制,主從控制等。以現(xiàn)場比較典型的兩種方式進(jìn)行介紹如何控制。

4.1直接“一拖多”方案

此方案中,各電機(jī)定子繞組直接并聯(lián),統(tǒng)一由一臺變頻器驅(qū)動。由于僅采用1臺變頻器,此方案具有成本低,占地小的特點(diǎn)。

此方案中,功率平衡尤為重要。當(dāng)兩臺電機(jī)出力不均勻時,必將導(dǎo)致一臺電機(jī)過載而另一臺電機(jī)欠載,嚴(yán)重時會使過載的電機(jī)燒毀,甚至可能使變頻器主回路的IGBT模塊損壞變頻器無法對各電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行獨(dú)立的控制。而各電機(jī)的出力由電機(jī)參數(shù)和皮帶系統(tǒng)參數(shù)決定。其中,影響電機(jī)功率平衡的主要因素是電機(jī)的參數(shù)差異、電機(jī)動力滾筒的直徑誤差和皮帶包絡(luò)角差異。誤差越大,系統(tǒng)中電機(jī)的功率差異就越大。在沒有人為的設(shè)計差別的情況下,一般上述誤差都是生產(chǎn)中的加工誤差。

電機(jī)動力滾筒的直徑誤差在初期生產(chǎn)中會引起電機(jī)功率誤差,但由于皮帶系統(tǒng)的物理特性,經(jīng)過一段時間使用和磨損后,這一誤差將逐漸減小。

對于功率較小,電機(jī)數(shù)量較少(一般不超過3臺),低成本應(yīng)用場合,可以選擇一拖多并聯(lián)運(yùn)行方案,這將大大降低變頻調(diào)速系統(tǒng)的采購價格。

4.2多機(jī)“主從”控制方案

對于需要主動進(jìn)行各電機(jī)出力均衡控制的場合,可采用主從控制方案。

現(xiàn)場每臺電機(jī)配置一臺變頻器,所有系統(tǒng)中的高壓變頻器由一臺“協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)”統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過對各變頻器反饋的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),協(xié)調(diào)各變頻器的運(yùn)行指令,各變頻器根據(jù)該指令對各自的電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立的控制,使各電機(jī)轉(zhuǎn)速相同、出力相同。多機(jī)主從控制皮帶機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

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圖4 多機(jī)主從控制皮帶機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

控制過程如下:

以其中的一臺變頻器為主機(jī),其余的變頻器為從機(jī),對變頻器的輸出電流進(jìn)行采樣比較,通過改變從機(jī)的控制信號,使其始終跟隨主機(jī)而變化。當(dāng)從機(jī)的電流大于主機(jī)時,降低從機(jī)的給定信號,從而使從機(jī)的輸出頻率減小,電機(jī)轉(zhuǎn)速降低,負(fù)荷減輕,電流變小;當(dāng)從機(jī)的電流小于主機(jī)時,提高從機(jī)的給定信號,從而使從機(jī)的輸出增大,電機(jī)轉(zhuǎn)速升高,負(fù)荷加大,電流變大。最終使電機(jī)負(fù)荷基本一致,電流在允許的范圍內(nèi)。

5 皮帶機(jī)電控系統(tǒng)的工作原理

皮帶機(jī)在井下并不是單獨(dú)使用,往往是多部輸送機(jī)一起工作,因此啟動順序必須是前一級設(shè)備啟動后,下一級設(shè)備方可啟動。在前級閉鎖解除后,對皮帶電控系統(tǒng)的各部狀態(tài)進(jìn)行檢測判斷,具備起車條件后,才能啟動。皮帶電控系統(tǒng)控制原理如圖5所示。

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圖5皮帶電控系統(tǒng)控制原理

(1)起車時,皮帶電控首先對皮帶系統(tǒng)傳送過來的信號進(jìn)行判斷,如跑偏、堆煤、縱撕、急停閉鎖等,若各信號正常才能進(jìn)入下一程序;其次,根據(jù)皮帶機(jī)頭各傳感器返回的信號檢測制動閘及各開關(guān)狀態(tài)是否正常;最后,判斷皮帶張力是否在允許啟動范圍內(nèi)。

(2)當(dāng)皮帶機(jī)各部分都處于正常狀態(tài),具備起車條件,才會發(fā)出啟動信號。當(dāng)發(fā)出起車指令后,變頻器起動。操作臺發(fā)出變頻運(yùn)行信號,變頻器按操作臺給定的運(yùn)行信號輸出頻率和電壓變化的電源,控制電機(jī)按給定的“S”形曲線軟啟。

(3)與此同時,操作臺發(fā)出指令使抱閘打開,并檢測抱閘是否完全打開。若抱閘未打開或未完全打開,將關(guān)閉運(yùn)行信號,同時給變頻器抱閘信號使變頻器急停,防止變頻器因堵轉(zhuǎn)而出現(xiàn)過流跳閘。

(4)當(dāng)皮帶達(dá)到額定速度,電控系統(tǒng)實(shí)時檢測皮帶速度與滾筒速度,當(dāng)二者速度差值超過規(guī)定值,緊急停車,并發(fā)出打滑報警信號。

(5)系統(tǒng)實(shí)時檢測電機(jī)溫度、減速器溫度、軸承溫度、皮帶張力、電機(jī)電流、抱閘狀態(tài)、變頻狀態(tài)、PROMOS狀態(tài)等,當(dāng)任一項(xiàng)指標(biāo)或狀態(tài)不正常時,系統(tǒng)緊急停車并報警。

6“一拖多”方案應(yīng)用案例

山西康偉集團(tuán)南山煤業(yè)有限公司位于沁源縣城西北約32.5km,靈空山鎮(zhèn)東南約2.5km的王莊村西,行政區(qū)劃屬靈空山鎮(zhèn)管轄。礦井核定生產(chǎn)能力90萬噸/年,井田面積8.1554km2,批準(zhǔn)開采1-11號煤層,服務(wù)年限28.7年。礦井設(shè)計采用斜井開拓方式,綜采采煤方法,全部垮落法頂板管理方式。全井田共劃分為17個采區(qū),煤層開采順序采用下行式,即按照1號煤層、2號煤層→3號煤層→6號煤層→11號煤層順序進(jìn)行開采。

南山煤礦礦井皮帶有關(guān)參數(shù)如表2所示。兩臺電機(jī)銘牌中主要參數(shù)如表3所示。

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現(xiàn)場采用一套新風(fēng)光公司生產(chǎn)的JD-BP38-710P高壓變頻調(diào)速系統(tǒng),額定電壓10kV,額定電流51A,額定功率710kW,采用“一拖二”控制方案,主回路控制接線如圖6所示:

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圖6一拖二控制一次接線圖

現(xiàn)場采用一臺710kW變頻器同時拖動兩臺315kW電機(jī),變頻器檢測2個部分的電流值:一個是變頻器總的輸出電流,另一個是1#電機(jī)的運(yùn)行電流。這樣,變頻器就可以通過計算得到2#電機(jī)的運(yùn)行電流,通過比較1#和2#電機(jī)的運(yùn)行電流來調(diào)整變頻器的輸出,來平衡兩臺電機(jī)的功率。

該變頻器于2010年12月1日調(diào)試,模擬調(diào)試與操作臺的對接信號正常后,進(jìn)行帶輕載聯(lián)動調(diào)試正常。12月2日,設(shè)備進(jìn)行上煤進(jìn)行重負(fù)荷試驗(yàn)時出現(xiàn)1#與2#電機(jī)輕微偏流現(xiàn)象,通過調(diào)整1#電機(jī)導(dǎo)向輪來調(diào)整皮帶包絡(luò)角后,2臺電機(jī)輸出電流基本一致,并成功投產(chǎn)運(yùn)行。該設(shè)備至今沒有出現(xiàn)任何故障。

7多機(jī)“主從”控制方案應(yīng)用案例

山西梗陽投資有限公司是一個以煤炭生產(chǎn)、焦炭及化產(chǎn)品生產(chǎn)、房地產(chǎn)開發(fā)三大板塊為主的多元發(fā)展的現(xiàn)代企業(yè)集團(tuán)。公司總部設(shè)在省會太原市,公司總資產(chǎn)75億元,現(xiàn)有員工5000余人, “十二五”規(guī)劃年銷售收入達(dá)到100億元以上,是山西省大企業(yè)集團(tuán)之一。

山西呂梁中陽梗陽煤業(yè)有限公司是其下屬子公司之一,煤礦地處中陽縣城西南約12km,年設(shè)計產(chǎn)能為120萬噸。礦井提煤皮帶機(jī)建井初期采用315kW雙機(jī)拖動,隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,原有皮帶機(jī)不能滿足生產(chǎn)運(yùn)煤的需要。煤礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)研究決定對皮帶機(jī)運(yùn)煤系統(tǒng)進(jìn)行改造,皮帶機(jī)采用450kW雙機(jī)拖動,皮帶機(jī)以及拖動電機(jī)具體參數(shù)如表4、5所示。

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山西呂梁中陽梗陽煤礦皮帶機(jī)現(xiàn)場采用2臺JD-BP38-630P(630kW/10kV)高壓變頻器分別控制2臺450kW高壓電機(jī),采用“一拖一”主從控制方案,主回路控制接線如圖7所示。

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圖7 一拖一控制一次接線圖

對于兩機(jī)驅(qū)動的皮帶機(jī)變頻控制,為了有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)的負(fù)載平衡控制,高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用主從方式進(jìn)行控制?,F(xiàn)場采用2臺630kW變頻器分別控制2臺450kW高壓電機(jī),如圖8所示,選用1#變頻器為主變頻器,2#變頻器為從變頻器,由操作臺發(fā)給主變頻器給定頻率值,主從變頻器之間采用ModBus總線通信,1#變頻器作為主控,檢測1#和2#電機(jī)的運(yùn)行電流,發(fā)出輸出轉(zhuǎn)矩給定值,控制2#從變頻調(diào)速系統(tǒng)同步運(yùn)行。

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圖8 皮帶機(jī)變頻器主從控制簡圖

主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)均有外部信號連鎖控制和狀態(tài)、報警邏輯信號輸出,主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)接收本地或者遠(yuǎn)程的“啟動”、“停機(jī)”和“緊急停機(jī)”指令,以及來自從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“緊急停機(jī)”指令,從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)接收來自主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“啟動”和“緊急停機(jī)”指令,同時接收從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)本地或者遠(yuǎn)程聯(lián)動的“緊急停機(jī)”指令。在兩臺高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的PLC邏輯程序中進(jìn)行邏輯互鎖,使得兩臺高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時啟動,同時停機(jī)。

該套系統(tǒng)于2010年7月12日成功投運(yùn),至今運(yùn)行正常,沒有出現(xiàn)任何故障。

8采用高壓變頻器對皮帶機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的優(yōu)越性

(1)真正實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)軟啟動。通過電機(jī)慢速啟動帶動皮帶機(jī)緩慢啟動,將膠帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放,可將輸送機(jī)啟停時產(chǎn)生的沖擊減小,幾乎對膠帶不造成損害。

(2)降低膠帶帶強(qiáng)。由于變頻器啟動時間可以在1~3600s內(nèi)調(diào)整,皮帶機(jī)啟動時間通常在60~120s內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)定。啟動時間延長大大降低對帶強(qiáng)的要求,減少設(shè)備初期投資。實(shí)際應(yīng)用中,由于降低了啟動沖擊,機(jī)械系統(tǒng)的損耗也隨之降低,尤其托輥及滾筒壽命大大延長。

(3)實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)多電機(jī)驅(qū)動時的轉(zhuǎn)矩平衡。多電機(jī)驅(qū)動時采用主從或協(xié)調(diào)柜控制方式,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡。

(4)驗(yàn)帶功能。低速驗(yàn)帶功能是皮帶機(jī)檢修的要求。變頻調(diào)速系統(tǒng)為無極調(diào)速的交流傳動系統(tǒng),在空載驗(yàn)帶狀態(tài)下可調(diào)整0~100%額定帶速范圍內(nèi)的任意帶速。

(5)平穩(wěn)的重載啟動。變頻器低頻運(yùn)轉(zhuǎn)可輸出2.2倍額定力矩,適于重載啟動。

(6)自動調(diào)速。變頻器配合煤流傳感器可以根據(jù)負(fù)載輕重自動調(diào)節(jié)膠帶速度,節(jié)電的同時還減少了膠帶的磨損。

(7)節(jié)能。對應(yīng)于煤礦的特殊生產(chǎn)條件,有時,煤的產(chǎn)量是極不均勻的,當(dāng)然皮帶機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)煤量也是不均勻的,在負(fù)載輕或無負(fù)載時,皮帶機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)行對機(jī)械傳動系統(tǒng)的磨損浪費(fèi)較為嚴(yán)重,同時電能消耗也較低速運(yùn)行大得多,但因生產(chǎn)的需要皮帶機(jī)系統(tǒng)又不能隨時停車,采用單獨(dú)的控制系統(tǒng)對前級運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷、本機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷進(jìn)行分別測量,這樣可控制變頻器降速或提速。對于載荷不均的皮帶機(jī)系統(tǒng),可節(jié)約電能、降低皮帶的磨損。

9 結(jié)束語

新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在多個煤礦多種控制方式的成功應(yīng)用,驗(yàn)證了風(fēng)光牌高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可滿足皮帶系統(tǒng)的多種控制需求。實(shí)踐證明,利用技術(shù)先進(jìn)、成熟安全的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制拖動皮帶機(jī),提高了煤礦皮帶輸送系統(tǒng)自動化控制水平,節(jié)約了電能,大大降低了現(xiàn)場維護(hù)量,帶來可觀的效益,切實(shí)響應(yīng)國家節(jié)能降耗的號召,值得大力推廣。