【概述】長期以來，煤礦由于受復雜的生產條件和環境影響，加之今年煤礦行業的市場萎縮，如何以技術進步和技術創新為先導，降低企業的生產成本，提高勞動生產率是煤炭生產企業需要解決的迫切課題。

煤炭刮板機是煤礦的四大主要設備之一膠帶輸送機系統的一部分（四大件即：空氣壓縮機、主排水泵、主通風機、鋼絲繩牽引或膠帶輸送機）。神華集團包頭某煤礦，礦區面積67.5453平方公里，礦井開采深度由1480米至940米，年產600萬噸。由于原刮板機液力耦合器傳動系統陳舊及維護啟動繁瑣，今采用匯川技術CM3000三合一變頻器進行改造（此刮板機有三個驅動電機），拆除原液力耦合器系統，改造后使得系統操作簡便，幾乎免維護，提高了系統效率及電網功率因數且有一定節能效果，同時達到軟起和無極調速的目的，避免了直接啟動對電動機及刮板鏈的應力，防止其斷裂。

一、設備工況介紹

刮板輸送機的運輸能力不受貨載的塊度和濕度影響，機身高度小，便于裝載，機身伸長或縮短方便，移置容易，機體堅固，能用于爆破裝煤的工作面，也能與采煤機和自移式液壓支架組成綜采工作面。因此在煤礦井下采掘工作面及機風巷中得到廣泛應用，成為礦井煤炭運輸環節中必不可少的主要運輸設備。刮板輸送機能否正常運轉，直接影響工作面的生產能力和進度，對提高產量，具有極為重要的現實意義。

1、刮板機的運行原理

刮板輸送機由機頭部（包括電動機、傳動裝置、鏈輪組件等）、機身部溜槽（包括中部槽、調節槽、連接槽）、刮板、鏈條、機尾部、以及裝于溜槽兩側的附屬裝置（包括擋煤板、鏟煤板、電纜槽）等組成，如下圖1。

刮板輸送機是一種鏈傳動輸送機械，電動機將電能轉換為機械能，帶動主動鏈輪、改向鏈輪及鏈條實現環形運轉，將裝在溜槽中的煤運到機頭處卸下。傳動過程中，鏈條在主動鏈輪和改向鏈輪上圍包形成多邊形，主動鏈輪勻速運行時，鏈條和改向鏈輪呈周期性變化，因此運行中存在周期波動及沖擊負荷，傳輸速度較低。 

圖1、刮板機輸送機系統圖

圖2、綜采系統圖

2、刮板機的原啟動方式

煤礦現場刮板機為中煤張家口煤礦機械有限公司中雙鏈式三驅刮板機，型號為SGZ1250/3000，驅動電機為3*1000KW，機頭兩電機一臺平行樣刮板機擺放，一臺垂直刮板機擺放，機尾一臺電機平行刮板機擺放。變頻器到機頭的動力電纜長度為300m*（3*95mm），到機尾的動力電纜長度為580m*（3*95mm）。

刮板輸送機多存在重載啟動，啟動過程中沖擊載荷對鏈條及鏈輪均造成較大的應力作用，易造成設備啟動困難，常引起斷鏈及影響同線路其他設備正常運行等事故的發生。為此刮板輸送機的啟動技術從傳統的直接啟動發展到軟啟動技術。

▲ 原刮板機啟動方式：

采用德國福伊特閥控充液式液力耦合器（TTT）啟動調速。

▲ TTT驅動原理：

閥控雙腔調速型液力耦合器電動機帶動耦合器內的泵輪轉動，從而帶動內腔的水旋轉，旋轉的水推動透平輪轉動，從而輸出轉速與轉矩。當耦合器內無液體時，透平輪不旋轉，輸出轉速為零。當耦合器中的液體達到額定充液量時，輸出額定的轉速與轉矩。不同的充液量則會產生不同的輸出轉速與轉矩，由此實現軟起動，屬于液力傳動軟起動器。啟動時，控制注水電磁閥加水。運行時，監測液體溫度，控制液位，由于受冷卻系統的限制，不能長期低速運行。

▲ TTT驅動優點：

    ● 能在空載時順利啟動電機

    ● 啟動轉矩從零平穩增加到啟動力矩

    ● 工作中驅動負荷基本平衡

    ● 具有智能控制，可實現鏈條張緊及慢速之類的特殊模式

▲ 驅動結構：

    電動機-TTT-減速器-驅動鏈輪

▲ 原驅動結構存在的問題：

    ● 重載時啟動電流大，啟動轉矩較小

    ● 電動機及鏈條承受較大的啟動應力

    ● 對供水水質水壓要求嚴格，維護成本高

    ● 原液耦維護操作繁瑣，效率低，功率因數低

    ● 故障率高，通過現場采集監測，原TTT系統每30分鐘左右要

    ● 停機維護一次，嚴重影響生產的效率

圖3 原液耦驅動結構現場圖

系統相關參數：

二、刮板機現場工藝介紹

刮板輸送機是綜合機械化采煤工作面的主要運輸設備，它的作用一是把采煤機破碎下來的煤運到順槽轉載機；二是作為采煤機行走的軌道以及液壓支架前移的支點。

刮板機的工藝要求：

● 要求大啟動轉矩及重載啟動能力

● 較強的過載能力及負載突變能力

● 三驅動電動機要求功率平衡

● 啟動時機尾先啟動，隔1~3秒再啟動機頭

● 可實現一機頭一機尾及一機頭兩機尾組合運行控制

● 要求單機手動控制及聯機自動控制

煤礦31111工作面刮板輸送機機頭兩個驅動電機，機尾一個驅動電機，采煤機刮下的煤礦落到刮板機，然后通過轉載機經破碎機送到運輸皮帶機運出礦井?，F場運輸皮帶機的運輸速度為3.15m/s,帶寬1.2m，輸煤量為1000t/h，皮帶總長度2500m。設備布局如圖4:

圖4 設備現場布局圖

三、高壓變頻驅動方案

1、改造內容

取消原有液力耦合器系統，增加我司的一套三合一礦用防爆變頻器CM3000-DT1250G-WSD型高壓變頻器及一套變頻器外循環水冷系統，變頻器由含組合開關的干式移相變分別給組合變頻器供電（移相變為10000/3300），一次系統圖如圖5。

圖5 一次系統圖

用戶的后臺操作系統仍為原系統，操作臺PLC與變頻器之間采用硬線連接方式，提供給變頻器啟停命令、綜采系統故障停機命令等，反饋信號有刮板機運行信號、刮板機停止信號等，通過4~20mA模擬量信號調速，驅動電機在0~50Hz范圍內運行。具體接口信息如下圖所示：

圖6 后臺端口通信圖

變頻器采用兩線式控制模式1，通過DI4、DI5兩個端口分別控制變頻器正轉、反轉，頻率給定采用4~20mA模擬量信號，對應變頻器輸出頻率0~50Hz； 

與高壓開關柜聯鎖信號：

變頻器DO信號：

以上輸出信號默認為閉合有效，容量大小為250V AC 5A。

變頻器DI信號：

以上輸入信號除急停是常閉點外其他均默認為常開接點，閉合有效；

變頻器AI信號：

變頻器AO信號：

注：如果有特殊接口需求，可提前與匯川公司聯系，進行定制

2、系統操作流程為

先啟動皮帶機及轉載機，啟動外循環水冷系統，給CM3000變頻器上高壓電，變頻器備妥后給啟動命令啟動刮板機，根據現場工藝要求，先啟動刮板機機尾電機，2s后啟動機頭2#電機，3s后啟動機頭3#電機，刮板機速到達到要工藝要求后，啟動采煤機開始采煤，綜采系統正常工作，停機時與啟動順序相反。由于礦井下的環境惡劣，濕度和粉塵很大，因此CM3000變頻器的控制電不允許掉電，系統控制圖如下：

圖7 控制框圖

3、變頻改造后的運行效果

● 啟動電流小，輕載情況下1/3額定電流，啟動過程對電網無任何沖擊

● 大啟動轉矩，能重載啟動，且具備2倍/分鐘過載能力/10分鐘

● 各驅動電機功率自平衡功能，使各電機等同出力工作

● 通過參數設置，根據工藝要求，可靈活的進行電機的啟動時序控制

● 運行穩定，操作簡單，基本無需維護，解決了原液耦系統的高故障率

四、匯川技術高壓變頻方案優勢

1、先進的異步電機磁鏈閉環矢量控制算法

匯川技術CM3000系列高壓變頻器具備獨有的磁鏈閉環矢量控制技術，基于電機d-q軸數學方程式解析，通過對電機的磁鏈、電流進行解耦，完成對磁鏈、電流閉環控制。從矢量控制最基層的角度全面掌握電機運行曲線，實現了對電機的磁鏈閉環矢量控制。控制算法框圖如下：

圖8 矢量控制算法框圖

這種矢量控制算法在保持較高動態性能的基礎上，克服了轉子電阻、電感參數對調速系統性能的影響。對電機轉速控制精度高，加速時電流環響應快，低頻運行時轉矩響應可達750rad/s，并且能夠實現更高的節電效率。磁鏈閉環矢量控制算法解決了擠出機啟動轉矩大，加速大電流，穩速精度高等高要求，保證了產線可靠運行。

2、整機三電平技術及先進的中點電位平衡控制技術

匯川技術CM3000變頻器利用二極管中性點箝位的拓撲結構，使得每相輸出具有三個電平。通過檢測直流母線及中點的電壓進行實時調整，保證中點電位平衡。從而達到控制精度好，響應速度快，輸出波形效果好，功率密度高等效果。

根據礦井下空間有限的環境特性，CM3000變頻器采用緊湊結構設計，體積小。為了滿足EMC的要求，變頻器輸入側采用多脈沖整流，對外圍設備無干擾，輸出電纜長度可達1500m；整機采用一體化接地系統，直接與專們設計的防爆殼鏈接，有效避免了外界對變頻器及變頻器對外圍設備的電磁干擾。完全滿足EMC的要求。中點鉗位技術的波形如圖9：

圖9 中點鉗位技術效果圖

3、下垂控制功能

匯川技術CM3000系列高壓變頻器具備功率自平衡的下垂控制功能。對于多驅動的刮板機而言，各驅動電機的功率平衡直接影響刮板機的穩定運轉及驅動電機的壽命，匯川技術CM3000高壓變頻器的下垂控制功能，根據各驅動電機的實時運行狀態，自動動態調節各驅動電機的轉速及電流，從而達到各驅動電機的功率平衡，使得負載穩定運行?，F場調測時的輸出波形監視圖如下：

圖10 現場三驅電機輸出波形圖

4、大啟動轉矩功能

匯川技術CM3000系列高壓變頻器具大啟動轉矩功能。150%/0.5HZ(開環轉矩控制)啟動轉矩；180%/0HZ(閉環轉矩控制)啟動轉矩，當系統意外停機后，通過大轉矩的啟動力矩，實現重載啟動，完全解決了原驅動系統啟動電流大，重載難啟動等一系列問題。并且CM3000變頻器具有2倍/分鐘的過載能力，10分鐘每次。啟動的輸出波形監視圖如下：

圖11 啟動輸出波形圖

5、完善的水速冷系統

變頻器水冷系統包括CM3000的內水冷系統和變頻器外循環系統，冷卻流程如下：內循環去離子水流經整流部分及逆變IGBT部分的散熱器，帶走開關器件的熱量，再通過水-水熱交換方式與外部冷卻水實現熱交換，外部冷卻水通過水泵驅動經水-風換熱器實現熱交換，最終將CM3000防爆變頻機芯殼體內部熱量傳遞到外部環境中。內部去離子冷卻水設有溫度、壓力、離子濃度與去離子水量保護功能。外部冷卻水設有溫度、壓力與液位保護功能，速冷系統圖如圖11、12所示。

圖12  內水冷系統結構圖

五、現場應用圖片

圖13 變頻器現場應用圖

圖14 變頻器外水冷系統圖

圖15 CM3000變頻器干式移相變電源圖

圖16 現場采煤機圖

圖17刮板機圖

圖18場操作監控平臺圖

圖19場監控數據圖

六、結束語

近年來，煤礦行業的市場由于國家發展的轉型而不斷萎縮，如何以技術進步和技術創新為先導，降低企業的生產成本，提高勞動生產率是煤炭生產企業需要解決的迫切課題，同時也是國家對企業考慮的硬性標準。此次匯川技術CM3000系列高壓變頻器成功應用在礦用刮板機上，也是匯川技術在不斷開拓新工藝點，推廣市場工藝型變頻設備征途的一個縮影。與此同時，作為國內高壓變頻行業在礦用刮板機應用上第一個吃螃蟹的廠家，這次成功應用也證明了匯川技術CM3000系列產品的高性能與高可靠性。

 匯川技術依托多年的自動化行業的應用經驗，對煤礦行業的變頻改造具有獨到的方案解決能力，之前推出的HD9X系列皮帶機及礦井提升機專用高壓變頻器也得到了客戶的一致好評。匯川技術有限公司生產的高壓變頻器為采用矢量控制技術的高性能變頻器，產品適用于冶金、電力、化工、市政、橡膠等多個應用領域，公司一直本著以用戶的實際需求來創造產品，給用戶提供最佳的控制方案為宗旨，在各行業得到用戶的一致認可！