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1 引言

在煤礦上，運輸系統(tǒng)主要由皮帶機、刮板輸送機和提升機組成，而在數(shù)量上以皮帶機為主。以往為了實現(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)備維護工作量大，能耗高，在機械上產(chǎn)生劇烈沖擊，加速機械的磨損；還有皮帶、液力耦合器的磨損和維護等問題都會給企業(yè)帶來很大數(shù)額的費用問題，已越來越不能滿足用戶的要求。隨著高壓變頻技術(shù)的不斷進步和完善，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。對煤礦的皮帶輸送機進行變頻改造，對節(jié)約能源、增加煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益都具有非常顯著的效果。

2皮帶機系統(tǒng)基本組成

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

皮帶機廣泛應(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。

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

圖1皮帶機單機驅(qū)動示意圖

圖2皮帶機雙機驅(qū)動示意圖

圖3皮帶機多機驅(qū)動示意圖

以2個拖動電機為例，說明皮帶系統(tǒng)主要組成：

（1）皮帶機機頭，是礦井的出煤口。皮帶從井底拖運出來的煤經(jīng)過機頭位置時，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#電機拖動的主動滾筒，和2#電機拖動的從動滾筒后，皮帶在經(jīng)過一個導(dǎo)向輪運行到井底完成一次運煤過程。

（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）皮帶機制動與逆止保護裝置。皮帶機除了變頻器的保護系統(tǒng)外，還有自身的一些保護措施，如油壓制動系統(tǒng)，逆止裝置等?，F(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)。皮帶機的逆止裝置安裝在減速器的低速軸上。皮帶機出現(xiàn)重大故障，其它保護失效時，逆止裝置通過機械力阻止重載皮帶向下溜車。

3 皮帶機的多種驅(qū)動方式比較

目前國內(nèi)井下帶式輸送機的驅(qū)動方式常用的有：電氣軟啟動、CST、液力偶合器、變頻器等。電氣軟啟動實質(zhì)是降壓啟動，故機械特性偏軟，難于滿足功率的帶式輸送機重載啟動的要求。通過以下比較，從驗帶功能、功率平衡精度、節(jié)能、初期投資、后期維護等方面看，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皮帶機的多種驅(qū)動方式

4煤礦皮帶機變頻調(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臺電機驅(qū)動皮帶，但根據(jù)實際工況不同，也有3臺甚至4臺電機驅(qū)動皮帶的情況，這樣在變頻調(diào)速改造中就面臨多機驅(qū)動的問題。根據(jù)電機學原理，對于滑差0.01的電機，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入能量回饋狀態(tài)，進而發(fā)生過壓故障。因此一般需要采取有效的控制手段，平衡各電機出力。在實際應(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行介紹如何控制。

4.1直接“一拖多”方案

此方案中，各電機定子繞組直接并聯(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。

此方案中，功率平衡尤為重要。當兩臺電機出力不均勻時，必將導(dǎo)致一臺電機過載而另一臺電機欠載，嚴重時會使過載的電機燒毀，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的轉(zhuǎn)矩進行獨立的控制。而各電機的出力由電機參數(shù)和皮帶系統(tǒng)參數(shù)決定。其中，影響電機功率平衡的主要因素是電機的參數(shù)差異、電機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。

電機動力滾筒的直徑誤差在初期生產(chǎn)中會引起電機功率誤差，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“主從”控制方案

對于需要主動進行各電機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運行狀態(tài)，協(xié)調(diào)各變頻器的運行指令，各變頻器根據(jù)該指令對各自的電機進行獨立的控制，使各電機轉(zhuǎn)速相同、出力相同。多機主從控制皮帶機控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 多機主從控制皮帶機控制系統(tǒng)原理圖

控制過程如下：

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

5 皮帶機電控系統(tǒng)的工作原理

皮帶機在井下并不是單獨使用，往往是多部輸送機一起工作，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。

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)傳送過來的信號進行判斷，如跑偏、堆煤、縱撕、急停閉鎖等，若各信號正常才能進入下一程序；其次，根據(jù)皮帶機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）當皮帶機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。當發(fā)出起車指令后，變頻器起動。操作臺發(fā)出變頻運行信號，變頻器按操作臺給定的運行信號輸出頻率和電壓變化的電源，控制電機按給定的“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）當皮帶達到額定速度，電控系統(tǒng)實時檢測皮帶速度與滾筒速度，當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)實時檢測電機溫度、減速器溫度、軸承溫度、皮帶張力、電機電流、抱閘狀態(tài)、變頻狀態(tài)、PROMOS狀態(tài)等，當任一項指標或狀態(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。兩臺電機銘牌中主要參數(shù)如表3所示。

現(xiàn)場采用一套新風光公司生產(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：

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，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#電機的運行電流。這樣，變頻器就可以通過計算得到2#電機的運行電流，通過比較1#和2#電機的運行電流來調(diào)整變頻器的輸出，來平衡兩臺電機的功率。

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，進行帶輕載聯(lián)動調(diào)試正常。12月2日，設(shè)備進行上煤進行重負荷試驗時出現(xiàn)1#與2#電機輕微偏流現(xiàn)象，通過調(diào)整1#電機導(dǎo)向輪來調(diào)整皮帶包絡(luò)角后，2臺電機輸出電流基本一致，并成功投產(chǎn)運行。該設(shè)備至今沒有出現(xiàn)任何故障。

7多機“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。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)劃年銷售收入達到100億元以上，是山西省大企業(yè)集團之一。

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。礦井提煤皮帶機建井初期采用315kW雙機拖動，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，原有皮帶機不能滿足生產(chǎn)運煤的需要。煤礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)研究決定對皮帶機運煤系統(tǒng)進行改造，皮帶機采用450kW雙機拖動，皮帶機以及拖動電機具體參數(shù)如表4、5所示。

山西呂梁中陽梗陽煤礦皮帶機現(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，采用“一拖一”主從控制方案，主回路控制接線如圖7所示。

圖7 一拖一控制一次接線圖

對于兩機驅(qū)動的皮帶機變頻控制，為了有效實現(xiàn)電機的負載平衡控制，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用主從方式進行控制?，F(xiàn)場采用2臺630kW變頻器分別控制2臺450kW高壓電機，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#電機的運行電流，發(fā)出輸出轉(zhuǎn)矩給定值，控制2#從變頻調(diào)速系統(tǒng)同步運行。

圖8 皮帶機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)接收本地或者遠程的“啟動”、“停機”和“緊急停機”指令，以及來自從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“緊急停機”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”指令，同時接收從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)本地或者遠程聯(lián)動的“緊急停機”指令。在兩臺高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的PLC邏輯程序中進行邏輯互鎖，使得兩臺高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時啟動，同時停機。

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

8采用高壓變頻器對皮帶機進行驅(qū)動的優(yōu)越性

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

（2）降低膠帶帶強。由于變頻器啟動時間可以在1～3600s內(nèi)調(diào)整，皮帶機啟動時間通常在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的要求，減少設(shè)備初期投資。實際應(yīng)用中，由于降低了啟動沖擊，機械系統(tǒng)的損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒壽命大大延長。

（3）實現(xiàn)皮帶機多電機驅(qū)動時的轉(zhuǎn)矩平衡。多電機驅(qū)動時采用主從或協(xié)調(diào)柜控制方式，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡。

（4）驗帶功能。低速驗帶功能是皮帶機檢修的要求。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，當然皮帶機系統(tǒng)的運煤量也是不均勻的，在負載輕或無負載時，皮帶機系統(tǒng)的高速運行對機械傳動系統(tǒng)的磨損浪費較為嚴重，同時電能消耗也較低速運行大得多，但因生產(chǎn)的需要皮帶機系統(tǒng)又不能隨時停車，采用單獨的控制系統(tǒng)對前級運輸系統(tǒng)的載荷、本機運輸系統(tǒng)的載荷進行分別測量，這樣可控制變頻器降速或提速。對于載荷不均的皮帶機系統(tǒng)，可節(jié)約電能、降低皮帶的磨損。

9 結(jié)束語

新風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，驗證了風光牌高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可滿足皮帶系統(tǒng)的多種控制需求。實踐證明，利用技術(shù)先進、成熟安全的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制拖動皮帶機，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)場維護量，帶來可觀的效益，切實響應(yīng)國家節(jié)能降耗的號召，值得大力推廣。