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1 引言

在煤礦上，運(yùn)輸系統(tǒng)主要由皮帶機(jī)、刮板輸送機(jī)和提升機(jī)組成，而在數(shù)量上以皮帶機(jī)為主。以往為了實(shí)現(xiàn)皮帶的軟啟動(dòng)，需要使用液力耦合器或者液力軟啟動(dòng)器，這類液力傳動(dòng)設(shè)備維護(hù)工作量大，能耗高，在機(jī)械上產(chǎn)生劇烈沖擊，加速機(jī)械的磨損；還有皮帶、液力耦合器的磨損和維護(hù)等問題都會(huì)給企業(yè)帶來很大數(shù)額的費(fèi)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(jìn)步和完善，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。對(duì)煤礦的皮帶輸送機(jī)進(jìn)行變頻改造，對(duì)節(jié)約能源、增加煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都具有非常顯著的效果。

2皮帶機(jī)系統(tǒng)基本組成

皮帶機(jī)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(jī)受電，由電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能帶動(dòng)動(dòng)頭輪運(yùn)轉(zhuǎn)，利用頭輪與皮帶之間的摩擦力帶動(dòng)皮帶連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

皮帶機(jī)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(fù)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(tái)輸送，也可多臺(tái)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(jī)的驅(qū)動(dòng)分類有以下三種方式：單機(jī)驅(qū)動(dòng)，雙機(jī)驅(qū)動(dòng)，多機(jī)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)示意圖分別如圖1，圖2，圖3所示。

圖1皮帶機(jī)單機(jī)驅(qū)動(dòng)示意圖

圖2皮帶機(jī)雙機(jī)驅(qū)動(dòng)示意圖

圖3皮帶機(jī)多機(jī)驅(qū)動(dòng)示意圖

以2個(gè)拖動(dòng)電機(jī)為例，說明皮帶系統(tǒng)主要組成：

（1）皮帶機(jī)機(jī)頭，是礦井的出煤口。皮帶從井底拖運(yùn)出來的煤經(jīng)過機(jī)頭位置時(shí)，自動(dòng)被拋卸到礦井煤場。

（2）卸完煤后的空皮帶經(jīng)過一個(gè)轉(zhuǎn)向輪，分別通過1#電機(jī)拖動(dòng)的主動(dòng)滾筒，和2#電機(jī)拖動(dòng)的從動(dòng)滾筒后，皮帶在經(jīng)過一個(gè)導(dǎo)向輪運(yùn)行到井底完成一次運(yùn)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(tái)主動(dòng)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(jī)制動(dòng)與逆止保護(hù)裝置。皮帶機(jī)除了變頻器的保護(hù)系統(tǒng)外，還有自身的一些保護(hù)措施，如油壓制動(dòng)系統(tǒng)，逆止裝置等?，F(xiàn)場的油壓制動(dòng)系統(tǒng)在兩臺(tái)動(dòng)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(tái)油壓剎車處于制動(dòng)狀態(tài)。正常生產(chǎn)時(shí)，剎車片處于松開狀態(tài)。皮帶機(jī)的逆止裝置安裝在減速器的低速軸上。皮帶機(jī)出現(xiàn)重大故障，其它保護(hù)失效時(shí)，逆止裝置通過機(jī)械力阻止重載皮帶向下溜車。

3 皮帶機(jī)的多種驅(qū)動(dòng)方式比較

目前國內(nèi)井下帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式常用的有：電氣軟啟動(dòng)、CST、液力偶合器、變頻器等。電氣軟啟動(dòng)實(shí)質(zhì)是降壓啟動(dòng)，故機(jī)械特性偏軟，難于滿足功率的帶式輸送機(jī)重載啟動(dòng)的要求。通過以下比較，從驗(yàn)帶功能、功率平衡精度、節(jié)能、初期投資、后期維護(hù)等方面看，變頻驅(qū)動(dòng)有著明顯的優(yōu)勢。各方面比較詳見表1所示。

表1皮帶機(jī)的多種驅(qū)動(dòng)方式

4煤礦皮帶機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分析

皮帶系統(tǒng)中通常由1臺(tái)或2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶，但根據(jù)實(shí)際工況不同，也有3臺(tái)甚至4臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶的情況，這樣在變頻調(diào)速改造中就面臨多機(jī)驅(qū)動(dòng)的問題。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，對(duì)于滑差0.01的電機(jī)，變頻器輸出頻率相差0.2%時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致約20%的輸出轉(zhuǎn)矩不平衡，在輕載時(shí)，變頻器少量的輸出頻率差別，還會(huì)導(dǎo)致輸出頻率較低的變頻器進(jìn)入能量回饋狀態(tài)，進(jìn)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(jī)出力。在實(shí)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(jī)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(jìn)行介紹如何控制。

4.1直接“一拖多”方案

此方案中，各電機(jī)定子繞組直接并聯(lián)，統(tǒng)一由一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)。由于僅采用1臺(tái)變頻器，此方案具有成本低，占地小的特點(diǎn)。

此方案中，功率平衡尤為重要。當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)出力不均勻時(shí)，必將導(dǎo)致一臺(tái)電機(jī)過載而另一臺(tái)電機(jī)欠載，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使過載的電機(jī)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(duì)各電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行獨(dú)立的控制。而各電機(jī)的出力由電機(jī)參數(shù)和皮帶系統(tǒng)參數(shù)決定。其中，影響電機(jī)功率平衡的主要因素是電機(jī)的參數(shù)差異、電機(jī)動(dòng)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(jī)的功率差異就越大。在沒有人為的設(shè)計(jì)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(jī)動(dòng)力滾筒的直徑誤差在初期生產(chǎn)中會(huì)引起電機(jī)功率誤差，但由于皮帶系統(tǒng)的物理特性，經(jīng)過一段時(shí)間使用和磨損后，這一誤差將逐漸減小。

對(duì)于功率較小，電機(jī)數(shù)量較少（一般不超過3臺(tái)），低成本應(yīng)用場合，可以選擇一拖多并聯(lián)運(yùn)行方案，這將大大降低變頻調(diào)速系統(tǒng)的采購價(jià)格。

4.2多機(jī)“主從”控制方案

對(duì)于需要主動(dòng)進(jìn)行各電機(jī)出力均衡控制的場合，可采用主從控制方案。

現(xiàn)場每臺(tái)電機(jī)配置一臺(tái)變頻器，所有系統(tǒng)中的高壓變頻器由一臺(tái)“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(duì)各變頻器反饋的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，協(xié)調(diào)各變頻器的運(yùn)行指令，各變頻器根據(jù)該指令對(duì)各自的電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立的控制，使各電機(jī)轉(zhuǎn)速相同、出力相同。多機(jī)主從控制皮帶機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 多機(jī)主從控制皮帶機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

控制過程如下：

以其中的一臺(tái)變頻器為主機(jī)，其余的變頻器為從機(jī)，對(duì)變頻器的輸出電流進(jìn)行采樣比較，通過改變從機(jī)的控制信號(hào)，使其始終跟隨主機(jī)而變化。當(dāng)從機(jī)的電流大于主機(jī)時(shí)，降低從機(jī)的給定信號(hào)，從而使從機(jī)的輸出頻率減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，負(fù)荷減輕，電流變?。划?dāng)從機(jī)的電流小于主機(jī)時(shí)，提高從機(jī)的給定信號(hào)，從而使從機(jī)的輸出增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，負(fù)荷加大，電流變大。最終使電機(jī)負(fù)荷基本一致，電流在允許的范圍內(nèi)。

5 皮帶機(jī)電控系統(tǒng)的工作原理

皮帶機(jī)在井下并不是單獨(dú)使用，往往是多部輸送機(jī)一起工作，因此啟動(dòng)順序必須是前一級(jí)設(shè)備啟動(dòng)后，下一級(jí)設(shè)備方可啟動(dòng)。在前級(jí)閉鎖解除后，對(duì)皮帶電控系統(tǒng)的各部狀態(tài)進(jìn)行檢測判斷，具備起車條件后，才能啟動(dòng)。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(shí)，皮帶電控首先對(duì)皮帶系統(tǒng)傳送過來的信號(hào)進(jìn)行判斷，如跑偏、堆煤、縱撕、急停閉鎖等，若各信號(hào)正常才能進(jìn)入下一程序；其次，根據(jù)皮帶機(jī)頭各傳感器返回的信號(hào)檢測制動(dòng)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(dòng)范圍內(nèi)。

（2）當(dāng)皮帶機(jī)各部分都處于正常狀態(tài)，具備起車條件，才會(huì)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)發(fā)出起車指令后，變頻器起動(dòng)。操作臺(tái)發(fā)出變頻運(yùn)行信號(hào)，變頻器按操作臺(tái)給定的運(yùn)行信號(hào)輸出頻率和電壓變化的電源，控制電機(jī)按給定的“S”形曲線軟啟。

（3）與此同時(shí)，操作臺(tái)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(yùn)行信號(hào)，同時(shí)給變頻器抱閘信號(hào)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(dāng)皮帶達(dá)到額定速度，電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測皮帶速度與滾筒速度，當(dāng)二者速度差值超過規(guī)定值，緊急停車，并發(fā)出打滑報(bào)警信號(hào)。

（5）系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測電機(jī)溫度、減速器溫度、軸承溫度、皮帶張力、電機(jī)電流、抱閘狀態(tài)、變頻狀態(tài)、PROMOS狀態(tài)等，當(dāng)任一項(xiàng)指標(biāo)或狀態(tài)不正常時(shí)，系統(tǒng)緊急停車并報(bào)警。

6“一拖多”方案應(yīng)用案例

山西康偉集團(tuán)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(zhǔn)開采1-11號(hào)煤層，服務(wù)年限28.7年。礦井設(shè)計(jì)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(gè)采區(qū)，煤層開采順序采用下行式，即按照1號(hào)煤層、2號(hào)煤層→3號(hào)煤層→6號(hào)煤層→11號(hào)煤層順序進(jìn)行開采。

南山煤礦礦井皮帶有關(guān)參數(shù)如表2所示。兩臺(tái)電機(jī)銘牌中主要參數(shù)如表3所示。

現(xiàn)場采用一套新風(fēng)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(tái)710kW變頻器同時(shí)拖動(dòng)兩臺(tái)315kW電機(jī)，變頻器檢測2個(gè)部分的電流值：一個(gè)是變頻器總的輸出電流，另一個(gè)是1#電機(jī)的運(yùn)行電流。這樣，變頻器就可以通過計(jì)算得到2#電機(jī)的運(yùn)行電流，通過比較1#和2#電機(jī)的運(yùn)行電流來調(diào)整變頻器的輸出，來平衡兩臺(tái)電機(jī)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(tái)的對(duì)接信號(hào)正常后，進(jìn)行帶輕載聯(lián)動(dòng)調(diào)試正常。12月2日，設(shè)備進(jìn)行上煤進(jìn)行重負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)1#與2#電機(jī)輕微偏流現(xiàn)象，通過調(diào)整1#電機(jī)導(dǎo)向輪來調(diào)整皮帶包絡(luò)角后，2臺(tái)電機(jī)輸出電流基本一致，并成功投產(chǎn)運(yùn)行。該設(shè)備至今沒有出現(xiàn)任何故障。

7多機(jī)“主從”控制方案應(yīng)用案例

山西梗陽投資有限公司是一個(gè)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(tuán)。公司總部設(shè)在省會(huì)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(dá)到100億元以上，是山西省大企業(yè)集團(tuán)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(jì)產(chǎn)能為120萬噸。礦井提煤皮帶機(jī)建井初期采用315kW雙機(jī)拖動(dòng)，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，原有皮帶機(jī)不能滿足生產(chǎn)運(yùn)煤的需要。煤礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)研究決定對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)煤系統(tǒng)進(jìn)行改造，皮帶機(jī)采用450kW雙機(jī)拖動(dòng)，皮帶機(jī)以及拖動(dòng)電機(jī)具體參數(shù)如表4、5所示。

山西呂梁中陽梗陽煤礦皮帶機(jī)現(xiàn)場采用2臺(tái)JD-BP38-630P（630kW/10kV）高壓變頻器分別控制2臺(tái)450kW高壓電機(jī)，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(duì)于兩機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶機(jī)變頻控制，為了有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)的負(fù)載平衡控制，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用主從方式進(jìn)行控制?，F(xiàn)場采用2臺(tái)630kW變頻器分別控制2臺(tái)450kW高壓電機(jī)，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(tái)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(jī)的運(yùn)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(yùn)行。

圖8 皮帶機(jī)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(hào)連鎖控制和狀態(tài)、報(bào)警邏輯信號(hào)輸出，主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)接收本地或者遠(yuǎn)程的“啟動(dòng)”、“停機(jī)”和“緊急停機(jī)”指令，以及來自從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“緊急停機(jī)”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(dòng)”和“緊急停機(jī)”指令，同時(shí)接收從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)本地或者遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)的“緊急停機(jī)”指令。在兩臺(tái)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的PLC邏輯程序中進(jìn)行邏輯互鎖，使得兩臺(tái)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)，同時(shí)停機(jī)。

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

8采用高壓變頻器對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的優(yōu)越性

（1）真正實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)軟啟動(dòng)。通過電機(jī)慢速啟動(dòng)帶動(dòng)皮帶機(jī)緩慢啟動(dòng)，將膠帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，可將輸送機(jī)啟停時(shí)產(chǎn)生的沖擊減小，幾乎對(duì)膠帶不造成損害。

（2）降低膠帶帶強(qiáng)。由于變頻器啟動(dòng)時(shí)間可以在1～3600s內(nèi)調(diào)整，皮帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)間通常在60～120s內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)定。啟動(dòng)時(shí)間延長大大降低對(duì)帶強(qiáng)的要求，減少設(shè)備初期投資。實(shí)際應(yīng)用中，由于降低了啟動(dòng)沖擊，機(jī)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(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡。多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)采用主從或協(xié)調(diào)柜控制方式，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡。

（4）驗(yàn)帶功能。低速驗(yàn)帶功能是皮帶機(jī)檢修的要求。變頻調(diào)速系統(tǒng)為無極調(diào)速的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，在空載驗(yàn)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(dòng)。變頻器低頻運(yùn)轉(zhuǎn)可輸出2.2倍額定力矩，適于重載啟動(dòng)。

（6）自動(dòng)調(diào)速。變頻器配合煤流傳感器可以根據(jù)負(fù)載輕重自動(dòng)調(diào)節(jié)膠帶速度，節(jié)電的同時(shí)還減少了膠帶的磨損。

（7）節(jié)能。對(duì)應(yīng)于煤礦的特殊生產(chǎn)條件，有時(shí)，煤的產(chǎn)量是極不均勻的，當(dāng)然皮帶機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)煤量也是不均勻的，在負(fù)載輕或無負(fù)載時(shí)，皮帶機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)行對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損浪費(fèi)較為嚴(yán)重，同時(shí)電能消耗也較低速運(yùn)行大得多，但因生產(chǎn)的需要皮帶機(jī)系統(tǒng)又不能隨時(shí)停車，采用單獨(dú)的控制系統(tǒng)對(duì)前級(jí)運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷、本機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷進(jìn)行分別測量，這樣可控制變頻器降速或提速。對(duì)于載荷不均的皮帶機(jī)系統(tǒng)，可節(jié)約電能、降低皮帶的磨損。

9 結(jié)束語

新風(fēng)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(gè)煤礦多種控制方式的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了風(fēng)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(shí)踐證明，利用技術(shù)先進(jìn)、成熟安全的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制拖動(dòng)皮帶機(jī)，提高了煤礦皮帶輸送系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平，節(jié)約了電能，大大降低了現(xiàn)場維護(hù)量，帶來可觀的效益，切實(shí)響應(yīng)國家節(jié)能降耗的號(hào)召，值得大力推廣。