1引言

皮帶機在煤礦的使用非常普遍。皮帶機上的皮帶是一個彈性體，因此，《煤礦安全規程》規定，大功率皮帶機必須加設軟啟動裝置。目前煤礦采用的軟啟動裝置絕大部分是液力耦合器，還有使用CST（集變速箱，耦合器，電液控制為一體）。液力耦合器雖然能部分解決皮帶機的軟啟動問題，但還是存在維護工作量大，能耗高，對皮帶強度要求高等弊端。隨著高壓變頻技術的不斷進步和完善，已經逐步取代傳統液耦的位置。

2用戶基本介紹

同煤集團（大同煤礦集團公司）是國家大型國有煤礦企業，公司擁有煤田面積6157平方公里，總儲量892億噸。“十二五”期間，同煤集團實現總資產、總投資和銷售收入三個千億目標，打造全國100強、世界500強、煤電一體化、產業多元化、發展國際化的綜合能源集團。

同煤集團鐵峰煤業公司成立于2003年，洗煤廠是其下屬公司之一。洗煤廠采用斜井皮帶運輸機由井下向地面運煤，年產煤約600萬t，皮帶長500m，皮帶傾斜角19°～24°，皮帶拖動電機為兩臺，功率為560kW，電機基本參數如表1所示。皮帶機結構示意圖如圖1所示。洗煤廠有時需要皮帶機重載啟動。這些工況要求電機起動控制設備能穩定可靠運行，同時要有較強的過載能力，能適應較大范圍的電壓波動。

圖1皮帶機結構示意圖

原設計皮帶電機為液力耦合器起動，液耦在運行中存在以下問題：

（1）采用液力耦合器，電機必須先空載啟動。工頻啟動時，最初電流很大，為電機額定電流的4～7倍。大的啟動瞬間電流會在啟動過程中產生沖擊，引起電機內部機械應力和熱應力發生變化，對機械部分造成嚴重磨損甚至損壞。同時還將引起電網電壓下降，影響到電網內其它設備的正常運行。

（2）液力耦合器長時工作時，引起液體漏出，維護工作量大，影響生產。

（3）采用液力耦合器時，皮帶機的加載時間較短，容易引起皮帶張力變化，因此對皮帶帶強要求較高。

綜合以上考慮，礦領導決定皮帶機電機采用高壓變頻器調速控制。

主井皮帶機是全礦的流程中樞，一旦皮帶機不能正常工作，將造成全礦停產，且會造成巨大經濟損失。另外高壓變頻器須安裝在環境相當惡劣，煤灰比較重，粉塵大的場合。因此要求高壓調速系統具有極高的可靠性、穩定性、防護性。基于以上工作特點，變頻器設計中須滿足的如下主要技術條件：

（1）高壓變頻器具有高可靠性、穩定性、防護性。

（2）變頻器具有工頻運行的旁路功能，一旦出現故障，能夠讓電機切換到工頻運行。

（3)高壓變頻器能夠軟停止功能。啟動過程要求平穩，無沖擊。

（4)變頻器的輸出力矩不小于電動機2倍額定力矩，滿足負載變化大的承受能力和煤炭壓帶時的再起動的能力。

（5）須滿足煤礦電控系統的功能接口和監控要求。

（6)能夠實現驗帶功能。

經過對國內外各種高壓變頻器調研、比較，最后以招標方式選擇了山東新風光電子科技發展有限公司生產的風光牌JD-BP38系列高壓變頻器2套作為皮帶機的控制設備。

3皮帶機的工作原理和特點

皮帶機通過驅動輪鼓，靠摩擦牽引皮帶運動，皮帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。皮帶是彈性儲能材料，在皮帶機停止和運行時都儲存有大量勢能，這就決定了皮帶機的啟動時應該采用軟啟動的方式。鐵峰洗煤廠采用液力耦合器來實現皮帶機的軟啟動，在啟動時調整液力耦合器的機械效率為零，使電機空載啟動。雖然采用了降壓空載啟動等方法，但電機的啟動電流仍然很大，不僅會引起電網電壓的劇烈波動，還會造成電機內部機械沖擊和發熱等現象。同時采用液力耦合器軟起皮帶時，由于啟動時間短、加載力大容易引起皮帶斷裂和老化，要求皮帶的強度高。加之液力耦合起長時間工作會引起其內部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動等情況發生，不僅會加大維護難度和成本、污染了環境，影響了煤礦生產。

4風光皮帶機變頻調速系統介紹

4.1風光高壓變頻器的基本配置情況

根據現場情況，需要使用高壓變頻器實現皮帶系統的軟啟動和調速運行，要求變頻器具有重載啟動、主從電機轉矩均衡控制等功能，并要求變頻器具有高可靠性。

鐵峰洗煤廠選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的2臺JD-BP38系列高壓變頻器，對皮帶傳動系統進行控制。該系列高壓變頻器具有以下特點：

（1）采用完美無諧波的單元串聯多電平拓撲結構，具有較低的電網電流諧波，滿足電網對電能質量的嚴格要求，輸出線電壓為33電平，無需使用輸出濾波器，可采用普通異步電動機。

（2）采用無速度傳感器矢量控制方式，啟動力矩大，并有效避免由于負載波動導致的變頻器過流故障。

（3）配置轉矩協調功能可實現對多電機驅動系統的轉矩實時均衡控制。

（4）可配置2倍以上電流過載能力，可滿足大慣量系統的重載啟動要求。

（5）風光高壓變頻器對電網電壓的適應范圍寬（－65％～115％Un），采用單元故障自動旁路、星點漂移技術、工頻旁路、瞬時停電再啟動功能、相間短路等多項完善的保護功能技術，提高了抗電網波動和負載擾動能力，大大提高產品在煤礦皮帶機應用現場的可靠性。

4.2風光高壓變頻器配置參數

鐵峰洗煤廠皮帶機配置電機2臺，皮帶機改造選用風光JD-BP38-2000P高壓變頻器2臺、并配置手動旁路柜，用于變頻/工頻切換。采用“一拖一”變頻控制。風光JD-BP38-2000P變頻器參數如表2所示：

4.3雙擊聯動協調控制

此方案采用兩臺變頻器分別拖動兩臺電機，將各個電機定子繞組直接分別接在兩臺變頻器輸出測；雙機聯動同步運行變頻系統是由完全獨立的兩臺變頻器通過主、從機的同步通訊方式保證雙電機的轉速以及功率平衡。兩臺電機中任意一臺都可作為主機，另一臺為從機。雙機拖動方案中，變頻器對電機的轉矩都能獨立控制，變頻器主從之間可以自動來調整變頻器輸出功率一致。

雙擊聯動控制過程如下：

根據用戶要求，現場采用2臺2000kW變頻器分別控制2臺560kW高壓電機，如圖2所示，如果選用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，發出輸出轉矩給定值，控制2#變頻器同步運行。通過對兩臺變頻器的輸出電流進行采樣比較，通過改變2#機的控制信號，使其始終跟隨1#機而變化。當2#電機的電流大于1#電機時，降低2#變頻器的給定信號，從而使2#電機轉速降低，負荷減輕，電流變小；當2#電機的電流小于1#電機時，提高2#變頻器的給定信號，從而使2#電機轉速升高，負荷加大，電流變大。最終使兩個電機負荷基本一致，電流在允許的范圍內。

圖2皮帶機變頻器主從控制簡圖

皮帶機變頻改造后，將原有的電氣柜保留作為工頻旁路，液力耦合器拆除，采用聯軸器電動機直接與皮帶聯接。高壓變頻器主回路控制如圖3所示。

圖3皮帶機高壓變頻器主回路控制圖

皮帶機高壓變頻器現場運行照片如圖4所示。

圖4皮帶機高壓變頻器現場運行照片

5皮帶機變頻電控系統的工作過程

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備啟動后，下一級設備方可啟動。在前級閉鎖解除后，對皮帶電控系統的各部狀態進行檢測判斷，具備起車條件后，才能啟動。皮帶電控系統控制原理如圖5所示。

圖5皮帶電控系統控制原理

（1）起車時，皮帶電控首先對皮帶系統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，根據皮帶機頭各傳感器返回的信號檢測制動閘及各開關狀態是否正常；最后，判斷皮帶張力是否在允許啟動范圍內。

（2）當皮帶機各部分都處于正常狀態，具備起車條件，才會發出啟動信號。當發出起車指令后，變頻器起動。操作臺發出變頻運行信號，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，防止變頻器因堵轉而出現過流跳閘。

（4）當皮帶達到額定速度，電控系統實時檢測皮帶速度與滾筒速度，當二者速度差值超過規定值，緊急停車，并發出打滑報警信號。

（5）系統實時檢測電機溫度、減速器溫度、軸承溫度、皮帶張力、電機電流、抱閘狀態、變頻狀態、PROMOS狀態等，當任一項指標或狀態不正常時，系統緊急停車并報警。

6采用高壓變頻器對皮帶機進行驅動的效果

變頻器2012年11月調試完畢投入使用至今，沒有發生故障停機，運行狀態良好。皮帶機采用變頻器后，具體來說，有以下好處：

（1）真正實現皮帶機軟啟動。通過電機慢速啟動帶動皮帶機緩慢啟動，將膠帶內部貯存的能量緩慢釋放，可將輸送機啟停時產生的沖擊減至最小，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內調整，皮帶機啟動時間通常在60～120s內根據現場情況設定。由于降低了啟動沖擊，機械系統的損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒壽命大大延長。

（3）實現皮帶機多電機驅動時的轉矩平衡。多電機驅動時采用主從或協調柜控制方式，實現轉矩平衡。

（4）驗帶功能。低速驗帶功能是皮帶機檢修的要求。變頻調速系統為無極調速的交流傳動系統，在空載驗帶狀態下可調整0～100%額定帶速范圍內的任意帶速。

（5）平穩的重載啟動。變頻器低頻運轉可輸出2.2倍額定力矩，適于重載啟動。

（6）自動調速。變頻器配合煤流傳感器可以根據負載輕重自動調節膠帶速度，節電的同時還減少了膠帶的磨損。

（7）節能。對應于煤礦的特殊生產條件，有時，煤的產量是極不均勻的，當然皮帶機系統的運煤量也是不均勻的，在負載輕或無負載時，皮帶機系統的高速運行對機械傳動系統的磨損浪費較為嚴重，同時電能消耗也較低速運行大得多，但因生產的需要皮帶機系統又不能隨時停車，可生產情況控制變頻器降速或升速。對于載荷不均的皮帶機系統，可節約電能、降低皮帶的磨損。經過實時統計，在皮帶機運煤量相同的情況下，采用變頻后比原工頻節電20%以上。

7結束語

皮帶機的驅動系統采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38系列高壓變頻器后，對皮帶進行集中自動控制，實時對皮帶各種情況進行監測，并配合自動控制系統有效解決了皮帶運輸過程中的跑偏、堆煤、超溫等問題，有力地保證了運輸皮帶的穩定運行，同時降低了能耗。現場應用表明，利用技術先進、成熟可靠的高壓變頻調速系統拖動煤礦皮帶機，可大大提高皮帶機控制自動化程度，降低現場維護量，帶來可觀的效益，值得大力推廣。