变频器变频技术在煤矿皮带机的应用

摘要：皮带机启动时，变频器是在改变交流电频率的基础上实现调速的，因而启动平稳可靠，在煤矿中获得了广泛应用。通过分析变频器工作原理，成功在某矿皮带机实现了变频器变频技术的应用，改善了皮带机的调速功能，减少了电能消耗，降低了生产成本。

关键词：变频器；变频技术；煤矿皮带机；工作原理；效果

中图分类号：TD63+4.1文献标识码：B

作者简介：姜继寿（1970-），男，山西阳高人，毕业于太原理工大学电气工程及其自动化专业，工程师、从事煤矿机电技术与管理工作

皮带机是煤矿井下的主要煤炭运输设备，因此，皮带运输机的安全高效运行对于提高矿井生产效益具有十分重要的意义。但由于皮带具有一定的弹性，根据《煤矿安全规程》中的相关规定，皮带机应采取的启动方式为软启动方式。目前，很多煤矿仍采用液力耦合器来实现软启动，但由于其具有能耗高等不足，因而逐渐为变频技术所代替。

1某矿皮带机系统简介

某矿井下所使用的皮带机采用双机驱动方式，即采用两台电机拖动，电机功率均为1400kW，两台电机均安设在机头处。该矿皮带机此前采用液压耦合器进行驱动，皮带机运转期间多次出现皮带损坏问题，增加了检修工作量，用电成本较大。

2变频器工作原理

（1）变频器将交流电变换为直流电，最初的交流电是三相或单相的；（2）变频器将第一步变换的直流电再变换为交流电。此时的交流点是三相或单相的，但从交流电电压和频率角度讲，它不同于最初的交流电，表现在电机运行曲线上则为该曲线平行下移，这表明电机具有较大的启动转矩，即电机以较小的电流启动重载负荷。

3煤矿皮带机变频调速方案分析

3.1传统液耦的不足

（1）增加空载启动环节。若采用液压耦合器，则应首先进行空载启动，因为工频启动时存在较大电流，且一般会超过4倍的电机额定电流。电流产生的瞬时冲击则会使得电机中的机械应力等瞬间变大，进而造成电机内部机件的严重损坏问题。此外，这种启动方式还会对电网造成较为严重的影响，如电压下降问题，从而使得其他机电设备不能正常运转。因此，为避免上述不利情况出现，应在皮带机上安装软启动设备，常用的软启动设备为水电阻。

（2）水电阻液体温度过高会造成环境污染问题。若液压耦合器工作时间过长，液体温度则会不断升高，且达到一定温度值，就会造成合金塞的熔化问题，进而引发漏液问题，如此既污染了环境，还增加了维护工作量。

（3）皮带强度要求高。若采用液压耦合器，则皮带机在很短的时间内完成加载工作，这极易使得皮带承受更大的张力，因而必须增加皮带的强度，以避免皮带破坏。

（4）多电机驱动的功率不平衡问题得不到有效解决。煤矿井下所采用的皮带机一般长度较大，且承担运量大的运输工作，基于此种情况，皮带机往往采用的驱动方式为多电机驱动，而采用此种驱动方式则面临的一个问题就是必须解决多电机驱动的功率不平衡问题，而液压耦合器则无法有效解决这种不平衡问题。

3.2高压变频器的优势

（1）更好实现皮带机的软启动。皮带机的缓慢启动是以电机缓慢启动为基础的，且电机还能有效释放胶带内部贮存的能量，因而可大大降低输送机启动与停止时的冲击力，从而避免了胶带的损坏问题。

（2）较低胶带强度。由于变频器的启动时间可以在一小时内调整，而皮带机的启动时间可根据实际情况在3min内进行调整，因而启动时间得到延长，这样就不需要求皮带具有较高的强度，从而减少设备的成本。同时，由于启动冲击力小，设备内部损坏较小，皮带机各部件的寿命有效延长。

（3）解决了皮带机多电机驱动时的转矩平衡问题。采用变频驱动方式时，可通过一拖一控制，即采用主-从或其他控制方式，均能有效实现转矩平衡。

（4）验带功能。为更好地对皮带机进行检修工作，则应保证皮带机具有低速验带功能。而变频调速系统是通过无级调速的交流传动系统来实现变速的，因而，在空载条件下，可在额定带速内任意调整带速，便于检修。

（5）重载启动平稳。由于变频在低频运转条件下可输出超过2倍的额定力矩，因此可实现平稳的重载启动。

（6）自动调速。在煤流传感器的作用下，变频可结合负载的轻重情况对胶带速度进行自动调节，减少了胶带的磨损。

（7）节能。煤炭开采量的变化使得皮带机的运煤量也会发生变化，当负载较小甚至空载时，皮带机仍在高速运行，消耗大量的电能，但由于生产的需要，皮带机又不能停止。而变频器可控制皮带机的运行速度，可实现负载变化的变速，因而大大节约电能。

3.3煤矿皮带机变频调速方案确定

若皮带机采用多台电机拖动，则应注意电机之间的协调控制问题，因为各电机的输出是由皮带耦合实现的。由电机学原理知，若电机存在滑差，则变频器的输出频率会出现偏差，进而造成输出转矩不平衡问题，甚至出现故障。因此，需采取适当措施，以平衡各机出力。现场应用中，主要有以下三种驱动方案：

方案一：一拖多并联运行方案。这种方案的适用条件为电机（单机）功率小，电机数量少于3台，要求低成本。

方案二：主-从控制方案。这种方案的适用条件为要求各电机均衡出力，电机数量少于3台，各电机之间间距小，系统简单。

方案三：统一协调控制方案。这种方案的适用条件为电机数量超过3台，电机之间间距较大，系统复杂。结合该矿现场实际以及各方案适用条件，为更有效地控制负载平衡，确定该矿皮带机采用方案二即主-从控制方案作为高压变频调速系统。其中，一台变频器为主控，以确定输出转矩，另一台则由主控变频器控制，并与其同步运行。变频调速系统仅能够控制电机的转矩，而不能控制从控电机的转速。

1#电机的转速是由主控高压变频器控制的，且两台电机的输出转矩也是由主控高压变频器发出的，而2#电机的输出转矩是由从控高压变频调速系统控制的。为保证电机的转速精度，并将其控制在0.5%以内，变频器应采用无速度传感器矢量控制技术；若精度要求更高，如将其控制在0.1%以内，则应采用速度传感器。本主、从高压变频调速系统均有以下两种功能：

（1）外部信号连锁控制功能；（2）报警逻辑信号输出功能。主控高压变频调速系统即可接收来自本地或远程的指令，也可接收从控系统发送的指令，此外，从控系统也具有类似主控系统的接收指令程序。

4应用效果分析

现场应用结果表明，该矿皮带机采用主-从控制方案作为高压变频调速系统，可对现场工况进行有效调节，不仅改善了系统的自动化程度，而且减少了电能消耗，降低了生产成本。此外，使用该方案后，系统维护工作量减少，且带来了可观的经济效益，并未出现安全问题。

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作者：姜继寿 单位：大同煤矿集团公司同忻矿