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普传科技变频技术在煤矿输送机上应用
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前言
随着电力电子技术、自动控制技术和计算机技术的进步，变频调速技术发展迅速，变频器在风机、水泵等一般负载上的应用已成熟，但在提升机、带式输送机等特殊负载上的应用实例还不多。矿用皮带输送机一般都采用工频拖动，液力耦合器传动，存在传动效率低、启动电冲击及机械冲击大、无法功率平衡等问题，造成了系统运行不经济；皮带和液力耦合器磨损严重，维修及维护成本高；存在无功环流损耗。因此，对带式输送机采用变频控制，不但有利于降低企业生产成本，提高企业经济效益，还符合建设节约型社会的主题，具有非常现实的经济意义和社会意义。
1 带式输送机工作原理与启动方式
带式输送机通过驱动轮鼓，靠摩擦牵引皮带运动，皮带通过张力变形和摩擦力带动物体在支撑辊轮上运动。皮带是弹性储能材料，在带式输送机停止和运行时都储存有大量势能，这就决定了设备启动时应该采用软启动的方式。
传统的带式输送机驱动系统启动方式 采用自耦降压，电机与减速箱之间加装液力耦合器。液力耦合器虽然能部分解决皮带机的软启动问题，但与变频器驱动相比，仍具有不足：
1）采用液力耦合器时，在启动时调整液力耦合器的机械效率为零，使电机空载启动。电机必须先空载启动。工频启动时，最初的电流很大，为电机额电流的4--7倍。大的启动瞬间电流会在启动过程中产生冲击，引起电机内机械应力和热应力发生变化，对机械部分造成严重磨损甚至损坏。同时还将引起电网电压下降，影响到电网内其它设备的正常运行，因此，大容量的带式输送机还必须附加电机软启动设备。
2）液力耦合器长时工作时，引起液体温度升高，熔化合金塞，引起漏液，增大维护工作量，污染环境。
3）采用液力耦合器时，输送机的加载时间较短，容易引起皮带张力变化，因此对皮带带强要求较高。
4）一般带式输送机都是长距离大运量、多电机驱动，采用液力耦合器驱动，很难解决多电机驱动时的功率平衡和同步问题。
2 变频技术改造的优势
变频技术飞速发展在煤矿企业得到很好应用，采变频器对带式输送机的驱动进行改造，给用户带来极大的社会和经济效益：
1）真正实现了带式输送机系统的软启动。运用变频器的软启动功能，将电机的软启动和输送机的软启动合二为一，通过电机的慢速启动，带动输送机缓慢启动，将皮带内部贮存的能量缓慢释放，使其在启动过程中形成的张力波极小，几乎对皮带不造成损害。
2）实现输送机多电机驱动时的功率平衡。应用变频器对皮带机进行驱动时，一般采用一拖一控制；当多电机驱动时，采用主从控制，实现功率平衡。山西阳泉某煤矿主井皮带为135kW*3电机驱动，采用主从控后，轻载时主从电机电流相差5A左右，满载时相差2A左右。基本实现输送机多电机驱动时的功率平衡。
3）降低皮带带强。采用变频器驱动之后，由于变频器的启动时间在1S-3600S可调，通常带式输送机启动时间在60S-200S内，根据现场设定，设备启动时间延长，大大降低对皮带带强的要求，降低设备初期投资。
4）降低设备的维护量。变频器是一种电子器件的集成，它将机械的寿命转化为电子的寿命，寿命很长，大大降低设备维护量。同时带式输送机的软启动过程中对机械工业基本无冲击，也大大减少了皮带机系统机械部分的检修量。如晋城煤业集团王台二号井顺槽皮带采用变频器驱动后，仅皮带扣一项年节约费用就达一万多元。
5）启动平滑，转矩大，没有冲击电流，可实现重载启动。低速大转矩输出实现了带式输送机平稳的重载启动。由于煤矿生产的特殊性，输送机在原煤运输过程中时刻都有可能重载停机，然后再重新启动。传统的控制方式有时不具有重载启动的能力，这就需要人工减少输送机上的负载再重新启动，延误了原煤运输的时间，同时也给输送机巷的管理带来额外的工作量，增加了维护人员的劳动量。变频器采用了矢量控制方式,具有自动转矩补偿功能，输送机重载启动时可实现低速大转矩。
6）节能。在输送机上采用变频驱动后的节能效果主要体现在系统功率因数和系统效率两个方面。
a、提高系统功率因数
通常情况下，煤矿用电机在设计过程中放的裕量比较大，工作时绝大部分不能满载运行，电机工作于满电压、满速度而负载经常很小，也有部分时间空载运行。电机只有在接近满载时才是效率最高、功率因数最佳，轻载时降低，造成不必要的电能损失。这是因为当轻载时，定子电流有功分量很小，主要是励磁的无功分量，因此功率因数很低。采用变频器驱动后，在整个过程中功率因数达0.9以上，大大降低了无功功率。
b、提高系统效率
采用变频器驱动之后，电机与减速器之间是直接硬联接，中间减少了液力耦合器这个环节。而液力耦合器本身的传递效率是不高的，且主要是通过液体来传动，液体的传动效率比直接硬联接的传动效率要低许多，因而采用变频器驱动后，系统总的传递效率要比液力耦合器驱动的效率要高5%~10%。
另外，矿井通常离变电站距离较远，不同时段电压波动较大，利用变频器的自动稳压功能，也有部分节能作用。
3 改造方案
3.1 一拖一比例联动主从控制
分别采用2台高性能矢量控制型变频器控制2台电动机（图2），构成主从驱动系统，通过各类传感器采集设备的运行状态信息，配合控制系统完成所有的工艺控制和保护功能、通过变频器的比例联动功能实现电机同步运行和自动功率平衡。
当两台变频器都具备启动条件后，变频器的开机操作有效；变频器运行后，主机（INV1）按给定频率运行，另一台(INV2)跟随运行，两台变频器各自实时检测输出电流、电压等参数，经过内部运算获得电机的转差率、转速、功率等，这时从变频器再与主控变频器的相应运行参数进行比较，获得两机的运行偏差信号，经从机DSP运算后输出新的SPWM控制信号，来调整从机的输出频率和功率，以实现变频器的同步运行和自动功率平衡。
以下为山西朔州矿务局关沟煤矿双轮斜井输送机的参数指标：
参数指标：
1）、电机参数 功率：2×132 kW、电压：660 V、数量：2台、转速：1470 r/min
2）、运输机参数 运量：600 T/h、机长：500m、带宽：1000mm、带速：2米/秒、运行方式：上运角度15
3）、主回路电源电压： 660V/1140V
4）、矿山用变频器（变频柜）型号：普传科技PI8000 160G 6、功率：160kW、过载能力：额定电流150%:60s；200%:0.1s、调速范围：100：1
5）、现场工作环境条件：海拔高度不超过1000m；环境温度不超过 -10～+40℃；环境相对湿度不大于95%（25℃）；有爆炸性气体（甲烷）和煤尘的矿井中；无强烈振动和冲击的地方；无破坏金属和绝缘材料的腐蚀性气体的地方；污染等级：3级。
控制方案：
1、采用共直流母线的方案，比例联动控制，实现两台变频器及电机的输出功率动态平衡，解决由于功率不平衡导致的过压、过流等问题。
2、采用多点V/F曲线，利用转矩提升等功能解决重载启动问题。
3、多段速控制实现速度调节及产煤量少时的节能运行。
4、两台变频器故障输出信号与运行信号串联，实现任一台变频器故障时的系统自动停机保护。
3.2 一拖二配置
采用一台大功率变频器驱动两台电机(图3)。特点是控制简单，变频器功率大。例如1台400kW变频器驱动2台187kW的电机完成输送。
4 变频控制系统设计
普传科技根据客户需要，结合多年来电气自动化控制经验，设计了低压变频带式输送机系统。近年来在煤炭大省山西的阳泉矿务局（180kW）、大同矿务局（160kW）、汾西矿务局（315kW）都有很好应用。系统具有如下功能和特点：
u 控制方式：
Ø 本地控制：通过柜门按钮直接控制，为主要控制方式；
Ø 远程I/O控制：通过变频器内置接口板的I/O接口，与远程开关量信号相连，实现远程控制；
Ø 上位控制：隔离RS485接口，采用标准MODBUS通讯协议，可与DCS等上位系统连接，优化协调控制；
u 频率给定方式：
Ø 通过主界面直接给定；
Ø 由模拟信号（0~10V或4~20mA信号）给定；
Ø 由上位机通过RS485端口给定；
Ø 多档速度给定，适合于周期性变化工况；
Ø 闭环运行时，由内置PID通过计算自动给定。
u AVR电压自动调整功能：变频器根据电压反馈，自动调节输出电压（(Automatie Voltage Regulation，AVR)，使其不受电网电压和负载变化的影响，保护电机免受因长期电压过高而导致的绝缘损伤或磁密过高而引起的铁芯过度发热。
u PID功能：变频器内置全数字PID，可根据用户要求进行闭环控制，实现恒压、恒流运行。
u 限流功能：当变频器输出电流超过设定值，变频器将自动限制电流输出，避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护，最大限度减少停机次数。
u 自诊断功能：变频器具有完善的自我诊断能力，在线监控系统状态。故障发生时，变频器自动采取相应保护措施，并保存故障发生的时间、原因、故障点，可帮助维护人员迅速找到故障原因，排除故障。
u 变频器保护功能：变频系统有过压、过流、欠压、短路、过载、过热、缺相等保护功能。变频器可与输送机综合保护装置如烟雾、打滑、跑偏、煤位、瓦斯、纵向撕裂、急停等对接，并完成各项安全保护性能。
u 瞬时停电跟踪功能：电网瞬时停电时，变频器控制电机处于发电状态，维持减速运转，若电网恢复正常，变频器立即回复至原运行状态。维持时间100ms。
u 其它特性：
Ø 高效率，系统总效率高达95%以上；
Ø 宽广的输入电压范围，更适合国内电网条件；
Ø 快速制动功能；
Ø 共振频率回避功能；
Ø 自动、手动、检修速度给定值控制；
Ø 启动防冲击控制，在启动制动的过程中使皮带抖动最小；
Ø 具有很好的堵转特性，堵转电流可以随意设定，并且实际电流值不会超过设定值；
Ø 具有强大的内部软件故障以及外部线路故障的诊断功能，在诊断到故障的情况下，装置首先自动停止工作，防止故障进一步扩大，同时进行准确的故障报警。
5 结束语
基于变频器的调速范围宽，软启动性能好，对电机保护有利、能实现重载正常启动和节能效果好及安装方便、维护量小且简单的特点，通过变频器在矿井下带式输送机上的成功应用，证明了采用变频器能极大的提高输送机运行的可靠性，降低了输送机系统的机械损耗，减少了系统的维护量，节约了后期的维修投入。采用变频技术来改造传统的带式输送机驱动系统不仅在技术是先进的，同时带来的社会及经济效益方面都是巨大的，变频技术在煤矿的输送机上有了广阔的应用前景。
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