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1、概述
    帶式輸送機(jī)是煤礦、冶金、碼頭普遍采用的連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備，對(duì)啟動(dòng)和制動(dòng)過程的控制一直是影響帶式輸送機(jī)可靠性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素。過去很長(zhǎng)時(shí)間里，液力偶合器以功率適應(yīng)范圍大；結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、投資不算太大、可空載啟動(dòng)、不產(chǎn)生高次諧波等優(yōu)點(diǎn)成為帶式輸送機(jī)的凋速方式主要選擇方向。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在：有滑差損失，滑差功率損耗變?yōu)橛偷臒崃渴褂蜏厣�高，需要冷卻設(shè)備，且投入耦合器前要先將電機(jī)工頻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流較大，并隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，機(jī)械磨損和老化問題日趨嚴(yán)重，故障率增加，電動(dòng)機(jī)效率低，并存在電機(jī)間的同步以及出力不均的問題。另外，美國(guó)某公司的可控啟動(dòng)傳輸裝置CST，雖能很好地解決大功率帶式輸送機(jī)的啟制動(dòng)過程的控制，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，同液力偶合器一樣也存在維護(hù)量大等問題。
    近年來，變頻技術(shù)的應(yīng)用在我國(guó)有了很大的發(fā)展，與傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)速方式比較，其優(yōu)越性日趨突出，以控制精度高，優(yōu)越的調(diào)速和啟制動(dòng)性能等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)能、減少維護(hù)、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面取得了明顯的效益。目前，以PWM控制、第四代IGBT直接串連三電平、6脈沖變流技術(shù)的中小功率低壓變頻器在帶式輸送機(jī)上成功地應(yīng)用，提高了帶式輸送機(jī)的運(yùn)行性能。近幾年，長(zhǎng)運(yùn)距、太傾角、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)成為新的發(fā)展方向。其安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、高效運(yùn)轉(zhuǎn)成為新的研究課題。這些帶式輸送機(jī)具有線路復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)功率較大，通常在400 kW以上，且需用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，采用低壓變頻方式已顯得不很適宜。在近幾年，隨著以CTO，1GBT, ICCT等自關(guān)斷器件的發(fā)展，各種適合高壓變頻的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究的進(jìn)一步深入，高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。因此。采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)大功率帶式輸送機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，以滿足整機(jī)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及可靠性的要求。是促進(jìn)能源節(jié)約的一種重要手段。
2、高壓交流變頻調(diào)速裝置技術(shù)指標(biāo)的確定
    —通過對(duì)高壓大容量的變頻器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，并結(jié)合帶式輸送機(jī)調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等的要求，確定以下主要技術(shù)指標(biāo)做為高壓變頻裝置對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制的設(shè)計(jì)依據(jù)。
    (1)高一高結(jié)構(gòu)，即6 kV輸入／輸出，不需輸出升壓變壓器，簡(jiǎn)化和減少變配電環(huán)節(jié)的設(shè)備，直接適用于6 kV電源系統(tǒng)。
   (2)變頻輸出為單元串聯(lián)移相PWM方式，輸出相電壓至少為13電平，線電壓至少為25電平。
    (3)一體化設(shè)計(jì)，包括輸入干式隔離變壓器，變頻器等所有部件及內(nèi)部連線，減少占地空間，提高了效率，易于現(xiàn)場(chǎng)的管理維護(hù)。
    (4)諧波抑制采用36脈沖整流輸入，符合并優(yōu)于JEEE519—1992及GB/T145J9—93標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓失真和電流失真的嚴(yán)格要求。
    (5)無需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對(duì)電機(jī)沒有特殊要求，可以使用普通異步電機(jī)，電機(jī)不必降額使用。電機(jī)不會(huì)受到共模電壓和dv/dt的影響。
    (6)無需功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，在20%～100%的負(fù)載變化情況內(nèi)功率因數(shù)達(dá)到或超過0. 95。
    (7)采用先進(jìn)的無速度傳感器矢量控制。
    (8)功率單元和主控系統(tǒng)通信采用光纖連接，具有很高的通信速率和抗干擾能力，安全性好。
    (9)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足每10min有1min的200%的轉(zhuǎn)矩過載能力要求，適應(yīng)輸送機(jī)重載啟動(dòng)要求。
3、設(shè)計(jì)應(yīng)用研究
    通過以上對(duì)高壓變頻裝置技術(shù)指標(biāo)分析，在甘肅某煤礦主斜井帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)采用了高壓變頻調(diào)速技術(shù)，該機(jī)長(zhǎng)度為1021m，傾角25°，運(yùn)量350 t/h，在綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，確定該機(jī)帶速P=3. 15 mm/s，設(shè)計(jì)功率Ⅳ=2 x400 kW，采用雙電機(jī)、雙滾筒驅(qū)動(dòng)，電機(jī)與減速器之間剛性聯(lián)接，中間投有其他功率傳遞裝置的驅(qū)動(dòng)單元形式，具有占地空間小，容易布置；能量傳遞的環(huán)節(jié)少，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率高，維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，是帶式輸送機(jī)一種最有效經(jīng)擠的驅(qū)動(dòng)方式。
    傳動(dòng)形式采用2臺(tái)額定輸出功率為600kW、以先進(jìn)的矢量控制技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻調(diào)速裝置對(duì)2臺(tái)400 kW國(guó)產(chǎn)普通6 kV高壓電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。高壓柜系統(tǒng)采用KYN28A戶內(nèi)金屬鎧裝抽出式金屬封閉開關(guān)柜，一臺(tái)進(jìn)線柜采用雙回路進(jìn)線形式，滿足煤礦主斜井供電要求。2臺(tái)啟動(dòng)柜為分?jǐn)?臺(tái)變頻器的6 kV電源主開關(guān)及變頻器旁路時(shí)2臺(tái)主電機(jī)的直接啟動(dòng)控制及保護(hù)，2臺(tái)旁路柜作為2臺(tái)電機(jī)接入變頻電源或工頻電源時(shí)的轉(zhuǎn)換開關(guān)。
    傳動(dòng)裝置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
4、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    隨著對(duì)帶式輸送機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求的不斷提高，在充分結(jié)合高壓變頻技術(shù)以及迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，并通過對(duì)現(xiàn)有控制設(shè)備的綜合技術(shù)分析，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于西門子S7 - 300型PLC邏輯控制，以嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)為監(jiān)控中心，用來完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、信息傳輸及全過程的可視化監(jiān)控。有效地解決以下技術(shù)難點(diǎn)：
    (1)拖動(dòng)電機(jī)的控制方式。由于該帶式輸送機(jī)雙電機(jī)、雙滾筒驅(qū)動(dòng)，因此，電機(jī)的控制方式是相互關(guān)聯(lián)的。若2臺(tái)電機(jī)的傳動(dòng)都作為獨(dú)立的速度控制，運(yùn)行時(shí)，2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩難以調(diào)整。為了滿足2臺(tái)電機(jī)速度同步，又要2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡，把控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為1個(gè)速度環(huán)、2個(gè)電流環(huán)的主從控制結(jié)構(gòu)。控制框圖如圖2所示。
    (2)力矩平衡控制。由交流異步電機(jī)的機(jī)械特性可知，同一型號(hào)和功率的2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性相同，理論上講，負(fù)載在2臺(tái)電機(jī)間平均分配，2臺(tái)電機(jī)各承擔(dān)1/2的負(fù)載。但在實(shí)際中，由于2臺(tái)電機(jī)制造的材料和工藝誤差及2套機(jī)械減速裝置的制造誤差，導(dǎo)致2套電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的特性很難完全一致，所以負(fù)載在兩電機(jī)間很難完全平均分配。
    為解決2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和拖動(dòng)功率平衡問題。采用了主從控制方式，主變頻器按照帶式輸送機(jī)要求對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行速度控制，主變頻器的速度調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，分派給主變頻器和從變頻器，取2臺(tái)電動(dòng)機(jī)在各自系統(tǒng)中的磁通值，把轉(zhuǎn)矩給定值轉(zhuǎn)換為電流給定值，進(jìn)行各自的電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，這不僅保證了2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的出力一致，而且達(dá)到了轉(zhuǎn)矩平衡。
    (3)速度同步控制。由于采用了1臺(tái)電機(jī)的速度計(jì)算值作為內(nèi)部速度反饋信號(hào)，滿足了速度的控制要求，叉由于采用了轉(zhuǎn)矩平衡控制（轉(zhuǎn)矩給定為同一值，且采用閉環(huán)調(diào)節(jié)）使2臺(tái)電機(jī)出力相同，故電機(jī)預(yù)達(dá)到的速度也是一致的。
    (4)啟動(dòng)加速度控制。由于變頻器的矢量控制技術(shù)及轉(zhuǎn)矩控制功能和快速電流限制功能，使輸送機(jī)獲得了比較好的啟制動(dòng)加速度。優(yōu)于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.1—0.3  In／S2輸送機(jī)的啟制動(dòng)加速度值。
    (5)運(yùn)行速度控制。可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載來確定帶式輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度，即根據(jù)負(fù)荷的變化來調(diào)整系統(tǒng)速度給定信號(hào)。按照實(shí)際情況要求，可以采用分級(jí)給定和無級(jí)調(diào)速給定2種方式。
    分級(jí)給定是指整個(gè)速度按煤量不同，結(jié)合帶速、帶強(qiáng)等，分為5級(jí)：滿載、煤量大、煤量中、煤量小、驗(yàn)帶。
    無級(jí)調(diào)速給定是指采用PLC自動(dòng)和手動(dòng)無級(jí)給定2種形式，前者由PLC實(shí)際檢測(cè)負(fù)載，當(dāng)空載或煤量少時(shí)，帶式輸送機(jī)可以很低的速度維持運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著負(fù)荷的增加，給定速度相應(yīng)增加。電機(jī)速度、輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度也相應(yīng)增加，反之亦然。后者通過手動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)無級(jí)調(diào)速。
    (6) PLC軟件設(shè)計(jì)。終端采用梯形圖語言編寫，為提高終端的抗干擾能力，軟件設(shè)計(jì)中采用了數(shù)字濾波、故障自檢、控制口令等措施，保證控制操作的正確性和可靠性。程序設(shè)計(jì)采用模塊化、功能化結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)、擴(kuò)展。
    (7)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。采用MCGS全中文工業(yè)自動(dòng)化控制組態(tài)軟件，組建了優(yōu)質(zhì)高效的監(jiān)控系統(tǒng)，用來完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能，使帶式輸送機(jī)運(yùn)輸更加安全高效。主監(jiān)控界面如圖3所示。
    (8)帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。按《煤礦安全規(guī)程》的要求，設(shè)有沿線急停、溫度、煙霧、縱向撕裂、煤位、跑偏、張緊限位、速度、斷帶、超溫自動(dòng)灑水等各種常規(guī)保護(hù)，此外還設(shè)有主電機(jī)三相定子繞組溫度、前后軸承溫度、變頻器的功率單元柜溫度、隔離變壓器溫度、變頻器故障、高壓開關(guān)柜故障等各種故障保護(hù)功能。
5、應(yīng)用情況
     該6 kV高壓變頻調(diào)速帶式輸送機(jī)于2006年6月安裝調(diào)試投入運(yùn)行以來，運(yùn)行情況良好，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
    (1)有效地實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)加速度控制、運(yùn)行調(diào)速控制、力矩平衡控制及速度同步控制，轉(zhuǎn)矩和速度控制精確平滑，保持輸送帶動(dòng)態(tài)張力最小，啟制動(dòng)過程輸送帶無震顫，噪聲低，從而顯著延長(zhǎng)了輸送機(jī)的使用壽命，并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
    (2)整機(jī)結(jié)構(gòu)合理，設(shè)備配置優(yōu)化，有利于用戶的現(xiàn)場(chǎng)管理和維護(hù)，降低了對(duì)電網(wǎng)的容量要求和無功損耗。
    (3)對(duì)電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以適用于由普通國(guó)產(chǎn)電機(jī)做為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)各類帶式輸送機(jī)。
    (4)控制面板可完成對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控及集控、就地、檢修、手動(dòng)等不同工況下的操作控制。
    (5)完善的帶式輸送機(jī)各種故障檢測(cè)及全面的故障監(jiān)控功能。實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的自檢、報(bào)警、信號(hào)記憶。
    (6)通過多功能顯示平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)登錄功能，以及系統(tǒng)各種運(yùn)行參數(shù)／變量的中文顯示。并建立故障排除系統(tǒng)，使用戶在電腦系統(tǒng)的指引下逐步排除故障。
    (7)由于對(duì)采用了運(yùn)行過程的分級(jí)和無級(jí)調(diào)速控制，可根據(jù)運(yùn)煤量大小即時(shí)調(diào)整帶速，提高了帶式輸送機(jī)的工作效率。
6、結(jié)  語
    現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)可有效地改善和提高帶式輸送機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行控制性能，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)的安全、高效、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)輸送帶、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)等傳動(dòng)設(shè)備的使用壽命。
    為解決帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)控制設(shè)計(jì)及改造、系統(tǒng)監(jiān)控、節(jié)能降耗、提高效率，提出了新的設(shè)計(jì)思路。
    目前，高壓變頻裝置的一次投入雖較大，但從長(zhǎng)期應(yīng)用的可靠性、壽命、維護(hù)量、節(jié)能等角度來看，所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是非常可觀的，尤其在今后發(fā)展必將顯示更大的生命力。
6、巷道位移測(cè)試，
    巷道位移測(cè)試儀器采用SMK -l型鋼環(huán)式收斂計(jì)，布置4個(gè)觀測(cè)斷面，各觀測(cè)斷面間距35 m。觀測(cè)時(shí)間安排：開始時(shí)每天測(cè)1次，7d后每3d測(cè)1次，1個(gè)月后每周測(cè)1次（表2）。通過表2可知，支護(hù)的收縮量合適，巷道支護(hù)3個(gè)月后，圍巖位移趨于穩(wěn)定，符合使用要求。