1、問題的提出
近年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和電力電子半導(dǎo)體器件的進(jìn)步和發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)得到了很大發(fā)展，變頻調(diào)速以其調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、保護(hù)功能完善、過載能力強(qiáng)、節(jié)能顯著、使用和維護(hù)方便等優(yōu)點已廣泛應(yīng)用于煤礦井下運(yùn)輸領(lǐng)域。目前，鄭煤集團(tuán)公司大平煤礦21鋼絲繩芯膠帶電機(jī)功率為250KWX2屬于大功率負(fù)荷，主要承擔(dān)著21采掘工作面原煤運(yùn)輸任務(wù)。由于煤礦用大功率鋼絲繩芯膠帶輸送機(jī)一般都采用工頻拖動，液力耦合器（粘性軟啟動）傳動，一方面存在傳動效率低、啟動電流大、機(jī)械沖擊大、功率無法平衡等問題，造成了系統(tǒng)運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。另一方面膠帶和液力耦合器（粘性軟啟動）磨損嚴(yán)重，維修及維護(hù)成本高。三是存在無功環(huán)流損耗。
2、技術(shù)方案論證與確定
鑒于以上原因，新型變頻器在大傾角膠帶輸送機(jī)的應(yīng)用勢在必行。在鄭煤集團(tuán)公司的支持下，確定采用BPBT型礦用防爆變頻器，首先在大平煤礦21大傾角開始使用，對大傾角膠帶輸送機(jī)采用變頻控制，不但有利于降低企業(yè)生產(chǎn)成本，減輕職J：檢修勞動強(qiáng)度，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，還符合國家建設(shè)節(jié)約型社會的主題，具有非常現(xiàn)實的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。
3、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點
(1)安裝、維護(hù)方便，減少人員投入；減少了啟動開關(guān)、粘性軟啟動裝置等設(shè)備，降低運(yùn)行、維護(hù)費用，減少故障點。
(2)在原基礎(chǔ)框架基礎(chǔ)上，設(shè)計加工所需電機(jī)底座及連接裝置等，運(yùn)行平穩(wěn)。
(3)通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)變頻控制，能實現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度由低速到高速變化，降低最大啟動電流對電網(wǎng)沖擊。具有節(jié)約電能、調(diào)速性能好、可靠性高、生產(chǎn)效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點。
(4)速度設(shè)定能實現(xiàn)“雙檔四速”，自動實現(xiàn)低速重載起動、重載停車、人工調(diào)速，保證皮帶機(jī)起動與運(yùn)行過程中各臺電動機(jī)功率平衡及速度同步。
(5)在膠帶服務(wù)掘進(jìn)工作面或運(yùn)輸任務(wù)量較小情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)低速運(yùn)行，滿足生產(chǎn)需要的同時，最大限度節(jié)約電能，并能根據(jù)現(xiàn)場檢查需要，方便接頭測試。
(6)配套電控系統(tǒng)具有故障智能對位顯示及語音報警功能，可使維修人員迅速判斷故障點，減輕職工勞動強(qiáng)度。
(7)皮帶機(jī)保護(hù)功能齊全，保證大功率強(qiáng)力膠帶安全運(yùn)行。
4、變頻器改造方案及實施
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適應(yīng)物料：顆粒狀、粉狀
設(shè)備類型：輸送機(jī)
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適應(yīng)物料：顆粒狀物料
設(shè)備類型：輸送機(jī)
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適應(yīng)物料：顆粒狀物料
設(shè)備類型：打包機(jī)
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適應(yīng)物料：顆粒狀
設(shè)備類型：輸送機(jī)
4.1機(jī)械部分
對驅(qū)動裝置配置方式進(jìn)行改造，將粘性軟啟動裝置、液壓泵站及所屬附件拆除，對原基礎(chǔ)底座進(jìn)行改造，直接將電動機(jī)與減速器高速軸相聯(lián)接。即“電動機(jī)+聯(lián)軸器+粘性軟起動裝置+減速器+主滾筒”配置方式改為“電動機(jī)+聯(lián)軸器+減速器+主滾筒”。
4.2電控部分
拆除原電控部分、控制開關(guān)及操作控制臺；來自11變電所18#饋電引1140V電源接整流箱一次：整流箱二次直流電源連接逆變箱一次；二次變換交流電源接電抗器一次側(cè)，二次側(cè)并接1#、2#電機(jī)，即一拖二變頻調(diào)速控制，來自11變電所9#饋電引660V電源接電控箱及變頻器風(fēng)機(jī)。
5、變頻器工作原理
變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60 f（1-5）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對數(shù)）：通過將頻率固定的三相交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。大平煤礦所選低壓變頻器主要采用交一直一交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)。變頻器的電路由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。同時通過濾波電抗器，濾波、防止電流突變以及分頻、阻低頻變高頻，通過變頻器可以自由調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。防爆變頻系統(tǒng)原理圖如圖5所示。
6、工作過程
主控臺送上電源后，顯示器上有相應(yīng)的狀態(tài)顯示，且安全條件具備燈亮，按下安全回路啟動按鈕，安全繼電器燈亮，但此時裝置不能運(yùn)行，處于待機(jī)狀態(tài)。再按下“運(yùn)行”按鈕，顯示器上的“變頻”指示燈亮，推桿制動器打開，此時電機(jī)建立初始力矩，根據(jù)變頻預(yù)設(shè)的上升速度由低速向預(yù)定速度運(yùn)行。速度操控方面，設(shè)置“雙檔四速”即：0. 5m/s、1m/s、1.5m/s、2m/s。
7、維護(hù)變頻器應(yīng)注意的事項
(1)變頻器檢修維護(hù)時，應(yīng)在斷開電源10分鐘后進(jìn)行維護(hù)操作，因為有大量的電容泄露電流，一定要經(jīng)過停電、檢測瓦斯?jié)舛取Ⅱ炿姟⒎烹姟⒋罱优R時地線步驟方可進(jìn)行操作。
(2)進(jìn)行電機(jī)或電機(jī)電纜校驗前務(wù)必把電機(jī)電纜從變頻器上拆下。
(3)吊掛電纜時，電機(jī)電纜和其他電纜應(yīng)保持距離。避免電機(jī)連接電纜與其它信號電纜平行走線。電力電纜與其它信號電纜應(yīng)以90度交叉穿越。
(4)每4天對電機(jī)相間、對地絕緣遙測一次，局部接地要每月遙測一次并做記錄，防止峰值電壓過高對電機(jī)絕緣值的破壞，測量每相電機(jī)繞組的絕緣電阻。測量電壓不小于電源電壓，但不得超過1000V，絕緣電阻必須1MQ以上。發(fā)現(xiàn)絕緣值下降至1M Q以下及時匯報處置。變頻器與電機(jī)的接地電阻盡可能小，國家標(biāo)準(zhǔn)為小于4Q。
(5)每天要全面檢查周圍環(huán)境、整體裝置震動、溫度以及電源電壓變動和下降等情況。
8、改造后的效果
21大傾角膠帶機(jī)采用BPBT-500/1.2礦用隔爆型變頻調(diào)速器驅(qū)動后可以達(dá)到如下應(yīng)用效果。
8.1安全保護(hù)方面，實現(xiàn)故障智能對位顯示及語音報警功能
變頻器本身具備過壓、過流、欠壓、短路、過載、過熱、缺相等保護(hù)功能。同時可與皮帶機(jī)綜合保護(hù)裝置如煙霧、溫度、打滑、跑偏、煤位、縱向撕裂、急停等對接，并完成各項安全保護(hù)性能。與之配套皮帶機(jī)電控系統(tǒng)具有故障智能對位顯示及語音報警功能，可幫助維護(hù)人員迅速找到故障原因，排除故障，減輕職工勞動強(qiáng)度。
8.2節(jié)電效益明顯
目前，單從實際運(yùn)行參數(shù)中可粗略計算出變頻器改造后節(jié)能效益如下：
21大傾角膠帶機(jī)額定功率2×250KW，額定電壓1140V，改造前實際運(yùn)行電流110A，電壓1. 2KV，皮帶每天平均運(yùn)行18h，按每月用電量統(tǒng)計計算，改造前平均每月用電月7萬度。使用變頻器后，實際運(yùn)行電流50A，電壓1.2KV，月均用電不足3萬度。按平段電價0.694元／度電計算，皮帶滿負(fù)荷工作18h，年節(jié)約電=360天／年×每天運(yùn)行小時×額定功率×元／度電，年節(jié)電費=360×18×1.2×(110-50)×0.694=32萬元。
另外變頻器改造后還可從提高系統(tǒng)功率因數(shù)、提高系統(tǒng)效率、減少壓降損失等方面節(jié)省電能，實際節(jié)能效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論計算數(shù)值。
(1)提高系統(tǒng)功率因數(shù)
由于電網(wǎng)中的電氣設(shè)備如電動機(jī)，變壓器等屬于既有電感又有電阻的電感性負(fù)載。電感性負(fù)載的電壓和電流的相量間存在著一個相位差，相位角的余弦coSQ既是功率因數(shù)，它是有功功率與視在功率之比即cosa=P/S。采用變頻器驅(qū)動后，在整個過程中功率因數(shù)達(dá)0.9以上，大大節(jié)省了電能。
(2)提高系統(tǒng)效率
采用變頻器驅(qū)動之后，電動機(jī)與減速器之間是直接剛性連接，中間減少了粘性軟起動裝置這個環(huán)節(jié)。而粘性軟起動裝置傳動效率是不高的，是通過液體來傳動，由于液體的傳動效率比直接硬聯(lián)接的傳動效率要低許多。因而采用變頻器后，系統(tǒng)總的效率要比粘性軟起動裝置驅(qū)動效率高8%-12%。
(3)減少壓降損失
由于供電距離較長，受電網(wǎng)供電負(fù)荷的影響，不同時段的電壓波動較大，利用變頻器的自動穩(wěn)壓功能，能及時彌補(bǔ)電壓降的損失，保證設(shè)備在額定電壓下運(yùn)行，從而也保證設(shè)備的安全運(yùn)行。
8.3節(jié)省人工費用和維修成本
使用粘性軟起動裝置調(diào)速時設(shè)備數(shù)量多，檢修困難，工人勞動強(qiáng)度較大，每月需要90個工時對其進(jìn)行檢修和維護(hù)；采用變頻后，因為設(shè)備數(shù)量少，易于檢修，工人勞動強(qiáng)度小，每月只需60個工時就能滿足其檢修和維護(hù)的需要。按90元／每工計算，年節(jié)省人工費用=年節(jié)省工時×90=(90-60)×12×90=32400元。使用粘性軟起動裝置（包括電控）每月檢修每次投入接觸器、電動機(jī)保護(hù)、齒輪油、濾芯等費用近2000元：采用變頻器后，月檢修費用不足100元；年節(jié)省檢修費用2萬多元。
8.4實現(xiàn)膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)軟啟動及電動機(jī)驅(qū)動時功率平衡
應(yīng)用變頻器驅(qū)動后，實現(xiàn)了膠帶輸送機(jī)的軟啟動，將電動機(jī)的軟啟動和膠帶輸送機(jī)的軟啟動合二為一，減少了在用設(shè)備。通過電動機(jī)的慢速啟動，帶動膠帶輸送機(jī)緩慢啟動，使膠帶輸送機(jī)在啟動過程中張力波極小，對膠帶造成損害小，可以延長膠帶帶體及接頭使用壽命，無形中增加了膠帶服務(wù)年限，降低了運(yùn)營成本。而工頻啟動時，最初啟動電流很大，為電機(jī)額定電流的2～3倍(1140V)，對電網(wǎng)沖擊很大。由于是雙機(jī)驅(qū)動，采用主從控制，能實現(xiàn)電動機(jī)驅(qū)動時功率平衡。
8.5實現(xiàn)低速重載起動、重載停車、入工調(diào)速
使用變頻驅(qū)動后，‘能夠自動實現(xiàn)低速重載起動、重載停車、人工調(diào)速，保證皮帶機(jī)起動與運(yùn)行過程中各臺電動機(jī)功率平衡及速度同步。同時，在膠帶服務(wù)掘進(jìn)工作面或運(yùn)輸任務(wù)量較小情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)“雙檔四速”中低速運(yùn)行，滿足生產(chǎn)需要的同時，方便職工對接頭測試，極大減輕職工檢查檢修勞動強(qiáng)度，避免了頻繁啟動對電機(jī)、機(jī)械設(shè)備損壞。
9、結(jié)論
大平煤礦21大傾角鋼絲繩芯膠帶機(jī)在變頻調(diào)速改造后，經(jīng)過近4個月的實際運(yùn)行，其節(jié)電率在30%-60%左右，且控制質(zhì)量大大提高，實現(xiàn)了軟停和軟啟，低速重載起動、重載停車、消除了電動機(jī)在硬啟過程中對電網(wǎng)的沖擊。另外改造后的系統(tǒng)操作簡便，省時省力，降低維護(hù)成本，大大提高了鋼絲繩芯膠帶機(jī)安全性能，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
