概述
      煤矿的四大件设备，主要是提升运输设备、煤矿主通风设备、煤矿排水设备和煤矿压风设备，煤矿提升运输设备是煤矿的“印钞机”，煤矿生产过程中煤炭的运输通道，是煤矿生产的重要设备。在煤矿提升运输设备中，皮带机占有重要的地位，钢缆机作为皮带机的一种，一直在煤矿的生产中扮演重要的角色。
      桑树坪煤矿一号井钢缆牵引胶带输送机（以下简称钢缆皮带机）承担着斜井原煤运输和人员上下井的任务。这部胶带输送机现有驱动系统采用的是晶闸管串级调速，电动机为JRQ158-6型高压绕线式电机（功率550kW，电压6kV），减速机为NGW172型行星齿轮减速机，无软启动装置。张紧方式为重锤张紧。
      这部钢缆皮带机安装于1978年，并于1979年11月移交使用，至今已服务近30年。30年间，虽经过几次现场部件大修，但也只能勉强维持生产。2007年以来，该设备运转状况急剧变差，各项主要技术指标严重下降。存在的主要问题有：
      1、电机存在缺陷，各项主要性能指标明显下降。
      2、两台行星齿轮减速器运行状况十分不好，严重影响生产。
      3、SECJ－06全数字逆变控制器经常出现故障，导致无法正常工作。
      4、给主电机供电的高压接触器，整机已严重老化，经常出现故障，
      5、高压开关柜为油断路器，有滲油现象，保护不齐全。

为了提高胶带输送机工作的灵活性与可靠性，该矿钢缆胶带机具有两种工作模式：
     （1）正常工作模式（即双机拖动），不使用机械差速器，每个电机拖动一个驱动轮，两电机之间无刚性连接，而是由钢丝绳和胶带构成弹性联接，两电机的调速回路各自独立。
     （2）备用工作模式（即单机拖动），当其中一套调速装置发生故障时，可变双机拖动为单机拖动，以维持生产的正常进行。

   二、拖动电机同步启动和功率平衡控制方案
     正常工作模式即双机拖动时，由于钢缆胶带机的两台拖动电机不同轴连接，为了全过程中实现胶带机两驱动电机之间的速度同步及功率平衡，则两电机的控制不应是各自独立，而是彼此相互关联的。因此，设计中采用主从控制方式，通过采集电机电流判断，进行PID调节以达到两驱动电机之间的速度同步及功率基本平衡。系统速度、电流闭环控制框图2如下。

 

图2  系统框图

     四象限高压变频器
     电机在运行过程中，转矩方向为纵轴，转速方向为横轴。转矩和转速方向都为正时，是正向牵引，为第一象限；转矩为正，转速为负，是反向制动，为第二象限；转矩和转速方向都为负，是反向牵引，为第三象限；转矩为负，转速为正，是正向制动，为第四象限。如图3所示。对于变频器而言，就是可以推动电机快速的加速和制动，并且可以快速反向加速和制动。既能量可以迅速在电机和电网之间双向流动，四象限变频器起到桥梁的作用。 

图3 四象限运行图

 

主从控制
    变频器在多机随动的情况下，需要有此功能，此功能的实现方式是，把高压变频器的控制器通过高速通讯网络组网，参数设置里，把需要随动的变频器设定为从，把需要电控系统来控制的变频器设置为主。主从控制网络示意图如图4所示。主从控制方式中，可以控制同步启停和功率平衡。

图4主从控制网络

  

 图5主从控制功率平衡软件控制框图

 

其中：
    Is为从变频器输出电流，即从电机电流；
    Im为主变频器输出电流，即主安吉电流；
    ns为从电机运行转速；
    nm为主电机运行转速；
    nes为主变频器给从变频器调整后的基准频率。
    另一种方式是通过电控系统来控制功率平衡，变频器和控制系统的连接方式如图6所示，控制部分采用通讯、硬连接、变频器主从控制通讯相结合的方式，变频器的启停和保护等功能通过硬连接实现，变频器的速度给定通过通讯来实现，变频器同步启停通过变频器的主从控制实现，变频器的电流和转速过模拟量和通讯双重给定。

图6 变频器和控制系统连接示意图

  

    高压变频器内部有电机电流检测元件，检测电机电流；变频器通过安装在电机轴头的光电编码器检测电机的转速，形成电流和转速的双闭环控制。变频器把检测到的电流和转速通过变送后给控制系统，控制系统通过运算电流和转速，通过和给定的转速做比较，相应的调整变频器的给定转速，达到调节变频器功率平衡的目的，控制系统功率平衡软件框图如图7所示。

图7功率平衡软件控制框图

 

 其中：
    I1为变频器1输出电流，即电机1电流；
    I2为变频器2输出电流，即电机2电流；
    n1为电机1的运行转速；
    n2为电机2的运行转速；
    ne为控制系统给变频器的基准转速；
    ne1为控制系统经过功率平衡运算调整后给变频器1的给定转速；
    ne2为控制系统经过功率平衡运算调整后给变频器2的给定转速。

      三、改造后的效果
      桑树坪煤矿在2009年春节期间停产改造，更换了高低压配电系统、更换了电控系统和拖动系统，因为机械部分的电机和减速机未能运输到现场，所以系统没有全部改造完成，在5月1日前，电机和减速机运输到现场，现场的改造全部完成，改造完成后，现场运行效果良好。在桑树坪煤矿的皮带频繁启停过程中，变频器运行稳定，同步启停效果良好，功率平衡在工程允许的5%范围内。
      皮带机的启动过程加速时间为1分钟，在加过过程中，两台电机的电流基本保持平衡，其误差在5%以内。在长期稳定运行过程中，两台电机的电流误差保持在3%以内。
      钢缆机在停机过程中，全部由变频器再生制动，抱闸不参与工作，减少了抱闸的磨损。
      在单机拖动试验中，变频器由于采用有速度传感器的矢量控制方式，启动电流小，不超过额定电流1.2倍，力矩大，完全满足钢缆机单机运行、重载启动的要求。

 

合康HIVERT-YVF06/077高压变频器

 

      结论
      国产高压四象限变频器在钢缆机上应用，在国内尚属首次，自2009年春节调试完成至今，运行平稳，维护简单，因采用矢量控制，适合重载启动场合的应用，是今后钢缆机及皮带机拖动发展的趋势。