变频技术在皮带输送机上的应用

摘要：在煤矿生产中，在皮带机上引入变频技术，可以节约大量电能。文章首先对通用变频技术和防爆变频器技术进行了分析，并对防爆变频技术在皮带机上的应用进行了举例说明。

关键词：变频技术；皮带输送机；防爆

中图分类号： TM921.51 文献标识码： A 文章编号：

可利用的煤矿资源，随着各地煤矿资源的不断开采已经越来越少，各企业之间的竞争越来越激烈，作为用电大户的煤炭企业，能否有效提高企业的综合竞争力，就在于能否有效提高机械设备的减少污染排放程度以及节能效率。在设备中融入变频技术是一项重要的提高企业竞争力、保证企业长期稳定发展、节能减排以及保护环境的举措。机械设备的用电量在当前的煤矿开采作业中占总用电量的百分之七十以上，因此，煤矿开采企业节能减排的关键就是变频技术的应用，在煤矿生产中变频技术的应用具有非常重要的意义。变频技术凭借着其良好的节能性与可控性，迅速进入到了煤矿市场，虽然说优点多多，但是在选择变频器的时候也要进行多方面考虑，对其可控性、可靠性、实用性、简易性以及安全性等方面都要进行综合考察，要选取高效合理的变频设备。

1 通用变频技术分析

VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的1 种，其共同特点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而，省去了体积大、价格贵的电解电容，其实现功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但吸引着众多学者深入研究。

矢量控制变频调速是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流通过三相—两相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流，再按转子磁场定向旋转变化，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1( Im1 相当于直流电动机的励磁电流， It1 相当于与转矩成正比的电枢电流) ，模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，再经过相应坐标的反变化，实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。但是，实际应用中，由于难以准确观测转子磁链，系统特性受电机参数的影响较大，且等效电动机控制过程中的矢量旋转变化较复杂，使得实际控制效果难以达到理想效果。

1985 年，德国鲁尔大学的DePenbrock 教授首次提出的直接转矩控制变频技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。

2 防爆变频器技术分析

防爆变频器是将通用变频器装在防爆壳内，实际存在很多问题，其中，散热是其遇到的最大难题。在变频器内部，逆变模块是发热最多的器件。据专家估计，逆变模块发热约占整个变频器散热量的50%，整流模块发热约占所有散热量的45%，剩余的5%是电解电容、充电电阻、均压电阻以及印制板上的发热元件等产生的热量。热管作为传热性极好的构件，利用“相变”传热的原理，与Cu，Ag等实体材料的天然传热方式完全不同，其有效导热性是Cu，Ag等有色金属的成百上千倍。热管散热器就是利用热管技术改进后的散热器，其采用自冷方式，无需风扇，没有噪声，免维修，安全可靠。防爆变频器的散热采用的就是热管散热器，将功率器件安装在散热器的蒸发段，密封在防爆壳内，热量通过蒸发段传到冷凝器而散发出去。由于直流电机及绕线电机在维护方面较为复杂，人们一直在寻求符合传动要求的交流鼠笼电机的大功率驱动系统。

3 防爆变频器在皮带运输机上的应用举例

某煤矿的运输系统为:顺槽皮带上、下山皮带采区煤库1030大巷运输皮带主井煤库大倾角皮带上仓皮带煤场。其中，1030大巷共有4部皮带，每部皮带由1台90kW电机拖动。所有皮带机的拖动均采用电机+减速器方式。

该煤矿井下胶带输送机的电压等级为660V。此电压等级的变频器属于低压范畴，技术较成熟，无须进口，价值也不高，其功能完全能满足胶带输送机的要求，且维修方便，维护费用不高，唯一的缺点是电流较大。为减小线损，供电线路、变频器接到电机电路的截面积应足够大，因此，增大了初始投资。但是，利用变频器的节电效果以及减少的维护量，就可赢得回报。

3.1 应用变频器的皮带机的运行性能分析

3.1.1 优越的软启动软停止特性

防爆变频器的启动、停止时间在0 min～10 min间是任意可调的，即启动时的加速度和停车时的减速度任意可调。另外，为了平稳启动，还匹配了S型加减速时间，将皮带机启停时产生的冲击减少至最小，这是其他驱动设备难以达到的。

3.1.2 验带功能

运输系统检修维护的主要工作是皮带机的检修维护。低速验带功能是皮带机检修的主要要求，变频调整系统为无极调速的交流传动系统，在空载验带状态下，变频器可调整电机工作在5%～100%额定带速范围内的任意带速。

3.1.3 平稳的重载启动

由于变频器采用无速度传感器矢量控制方式，低频运转最大可输出1.5倍额定转矩，最适于“重载启动”。

3.1.4 功率平衡

通过调整相应两变频器的速度来调整两电机之间的速度差，可任意增大或减小两驱动电机电流差值的大小，实现通过单独的控制系统控制各电机的电流值，通过调整各电机的速度使各电机电流值逐步趋于平衡，模拟信号速度同步控制示意图见图1。

图1 模拟信号速度同步控制示意图

通过模拟量信号给定同步速度，稳态时使用速度下垂控制，且2台变频器共直流母线，达到能量的均衡，使系统更节能。特别需要说明的是，下垂控制功能专用于多台电机驱动同一负载的工况。多台电机驱动同一负载时，不可避免地会出现速度不同步的问题，速度快的电机将承受较重负载。

3.2 采用变频器后的节能分析

因煤矿煤产量的不均匀特点，使得皮带机系统的运煤量也是不均匀的。采用普通控制方式，在负载轻或无负载时，皮带机系统高速运行会增加机械传动系统的磨损浪费以及电能消耗。变频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，便可控制电机依据载荷大小降速或提前升速，控制电机运行的电压和电流，达到节电30%的效果。

上述煤矿大巷运输皮带为例，皮带机开机工作制为300d/a，每天18h，效率为80%，应用变频器后年节电约为4×90×18×30%×80%×300=4.67×105kW·h/a。

4 结束语

在矿井皮带运输系统中投入变频装置后，明显地降低了整个皮带运输系统及驱动电机的事故，既延长了整个皮带运输系统的使用寿命，又减少了维护量，为整个生产系统的安全、可靠运行提供了有力保障。同时，由于变频装置明显的节能效果，投资回报期大大缩短。变频装置的投入会产生明显的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1] 王波.基于PLC 的矿用皮带运输机集控系统的开发与研究[D].太原：太原理工大学,2011.

[2] 韩力.变频调速技术在带式输送机中的节能应用研究[J].神华科技,2009(5).