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　　摘 要：煤礦的運輸設(shè)備主要包括提升機、皮帶機和鋼纜機，露天開采的鐵路機車，大型煤礦的直接汽車運輸，但是皮帶機和鋼纜機仍然是大型煤礦的主要運輸設(shè)備。

　　關(guān)鍵詞：四象限 高壓變頻器 鋼纜機 主從控制 功率平衡

　　概述

　　煤礦的四大件設(shè)備，主要是提升運輸設(shè)備、煤礦主通風(fēng)設(shè)備、煤礦排水設(shè)備和煤礦壓風(fēng)設(shè)備，煤礦提升運輸設(shè)備是煤礦的“印鈔機”，煤礦生產(chǎn)過程中煤炭的運輸通道，是煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備。在煤礦提升運輸設(shè)備中，皮帶機占有重要的地位，鋼纜機作為皮帶機的一種，一直在煤礦的生產(chǎn)中扮演重要的角色。

　　桑樹坪煤礦一號井鋼纜牽引膠帶輸送機（以下簡稱鋼纜皮帶機）承擔(dān)著斜井原煤運輸和人員上下井的任務(wù)。這部膠帶輸送機現(xiàn)有驅(qū)動系統(tǒng)采用的是晶閘管串級調(diào)速，電動機為JRQ158-6型高壓繞線式電機（功率550kW，電壓6kV），減速機為NGW172型行星齒輪減速機，無軟啟動裝置。張緊方式為重錘張緊。

　　這部鋼纜皮帶機安裝于1978年，并于1979年11月移交使用，至今已服務(wù)近30年。30年間，雖經(jīng)過幾次現(xiàn)場部件大修，但也只能勉強維持生產(chǎn)。2007年以來，該設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況急劇變差，各項主要技術(shù)指標(biāo)嚴(yán)重下降。存在的主要問題有：

　　1、電機存在缺陷，各項主要性能指標(biāo)明顯下降。

　　2、兩臺行星齒輪減速器運行狀況十分不好，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

　　3、SECJ-06全數(shù)字逆變控制器經(jīng)常出現(xiàn)故障，導(dǎo)致無法正常工作。

　　4、給主電機供電的高壓接觸器，整機已嚴(yán)重老化，經(jīng)常出現(xiàn)故障，

　　5、高壓開關(guān)柜為油斷路器，有滲油現(xiàn)象，保護(hù)不齊全。

鋼纜皮帶機

　　一、改造方案

　　為確保鋼纜皮帶機的安全運轉(zhuǎn)，保證桑樹坪煤礦的安全生產(chǎn)正常進(jìn)行，咸陽順安煤礦設(shè)計院根據(jù)桑樹坪煤礦要求，對該礦鋼纜皮帶機的電控系統(tǒng)改造進(jìn)行了認(rèn)真的分析論證，在滿足《煤礦安全規(guī)程》和礦方實際要求的前提下，本著安全、高效、經(jīng)濟可行的原則，提出了高壓變頻調(diào)速改造方案：

　　更新用戶現(xiàn)場的高低壓配電系統(tǒng)，采用PLC電控系統(tǒng)，采用高壓變頻器拖動系統(tǒng)，更換電機和減速機。

　　該改造方案中，高低壓配電系統(tǒng)、PLC電控系統(tǒng)、電機和減速機具有成熟廠商和設(shè)備;在高壓變頻器的選擇上，因為在國內(nèi)鋼纜機的拖動中使用高壓變頻器的尚無可以參考的成功案例，且桑樹坪煤礦的鋼纜機在運行過程中有負(fù)力，特殊情況下要求反轉(zhuǎn)，進(jìn)一步提高了對變頻器的要求，設(shè)計院和韓城礦務(wù)局做了大量工作，最終選定北京合康億盛科技有限公司生產(chǎn)的兩臺HIVERT-YVF06/077高壓變頻器。該變頻器是矢量控制、再生制動、四象限運行的變頻器，變頻器采用主從控制方式，使得變 頻器在運行過程中具有相同的運行參數(shù)，同步啟動，功率平衡由電控系統(tǒng)參與完成。

　　鋼絲繩牽引膠帶輸送機是一種長距離、大運量、高效能的運輸設(shè)備。在桑礦，鋼纜膠帶機除運煤外，還兼作上下人員用。

　　該礦鋼纜膠帶機的傳動裝置示意圖如圖1所示。

圖1　鋼纜膠帶機的傳動裝置示意圖

　　為了提高膠帶輸送機工作的靈活性與可靠性，該礦鋼纜膠帶機具有兩種工作模式：

　　（1）正常工作模式（即雙機拖動），不使用機械差速器，每個電機拖動一個驅(qū)動輪，兩電機之間無剛性連接，而是由鋼絲繩和膠帶構(gòu)成彈性聯(lián)接，兩電機的調(diào)速回路各自獨立。

　　（2）備用工作模式（即單機拖動），當(dāng)其中一套調(diào)速裝置發(fā)生故障時，可變雙機拖動為單機拖動，以維持生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

　　二、拖動電機同步啟動和功率平衡控制方案

　　正常工作模式即雙機拖動時，由于鋼纜膠帶機的兩臺拖動電機不同軸連接，為了全過程中實現(xiàn)膠帶機兩驅(qū)動電機之間的速度同步及功率平衡，則兩電機的控制不應(yīng)是各自獨立，而是彼此相互關(guān)聯(lián)的。因此，設(shè)計中采用主從控制方式，通過采集電機電流判斷，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)以達(dá)到兩驅(qū)動電機之間的速度同步及功率基本平衡。系統(tǒng)速度、電流閉環(huán)控制框圖2如下。　　

圖2 系統(tǒng)框圖

　　四象限高壓變頻器

　　電機在運行過程中，轉(zhuǎn)矩方向為縱軸，轉(zhuǎn)速方向為橫軸。轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向都為正時，是正向牽引，為第一象限;轉(zhuǎn)矩為正，轉(zhuǎn)速為負(fù)，是反向制動，為第二象限;轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向都為負(fù)，是反向牽引，為第三象限;轉(zhuǎn)矩為負(fù)，轉(zhuǎn)速為正，是正向制動，為第四象限。如圖3所示。對于變頻器而言，就是可以推動電機快速的加速和制動，并且可以快速反向加速和制動。既能量可以迅速在電機和電網(wǎng)之間雙向流動，四象限變頻器起到橋梁的作用。

圖3 四象限運行圖

　　主從控制

　　變頻器在多機隨動的情況下，需要有此功能，此功能的實現(xiàn)方式是，把高壓變頻器的控制器通過高速通訊網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，參數(shù)設(shè)置里，把需要隨動的變頻器設(shè)定為從，把需要電控系統(tǒng)來控制的變頻器設(shè)置為主。主從控制網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖4所示。主從控制方式中，可以控制同步啟停和功率平衡。

圖4主從控制網(wǎng)絡(luò)

　　同步啟停

　　同步啟停是在變頻器接收到外部控制系統(tǒng)發(fā)出的啟動或者停車信號后，主從控制網(wǎng)內(nèi)的高壓變頻器同步的啟動或者停機。同步啟停在無主從控制功能的高壓變頻器多機隨動中是無法實現(xiàn)的。當(dāng)控制系統(tǒng)把啟動或者停機指令發(fā)送給變頻器后，變頻器中的主變頻器立即執(zhí)行改指令，并且把相應(yīng)的指令通過高速通訊的方式發(fā)給從變頻器，使得主從變頻器同時啟動或者停機。

　　功率平衡

　　變頻器在多機隨動的情況下，尤其是在鋼纜機和皮帶機這種負(fù)載條件下，負(fù)載重載啟動，且不能直接工頻啟動，直接工頻啟動的結(jié)果會造成皮帶的撕裂和鋼纜的跳槽和掉繩，并對設(shè)備產(chǎn)生難以恢復(fù)的傷害。在多機拖動時，電機的功率平衡成為運行過程中控制的重點。

　　變頻器自身通過主從控制可以實現(xiàn)功率平衡功能，但是用電控系統(tǒng)實現(xiàn)功率平衡也可以實現(xiàn)。變頻器實現(xiàn)功率平衡的方式是，通過高速通訊，把從變頻器的輸出功率報告給主變頻器，主變頻器分析判斷計算后，調(diào)整從變頻器的運行頻率，達(dá)到兩臺或者多臺變頻器輸出功率基本相一致，誤差控制在5%以內(nèi)。主從控制功率平衡實現(xiàn)軟件控制框圖如圖5所示。

圖5主從控制功率平衡軟件控制框圖

　　其中：

　　Is為從變頻器輸出電流，即從電機電流;

　　Im為主變頻器輸出電流，即主安吉電流;

　　ns為從電機運行轉(zhuǎn)速;

　　nm為主電機運行轉(zhuǎn)速;

　　nes為主變頻器給從變頻器調(diào)整后的基準(zhǔn)頻率。

　　另一種方式是通過電控系統(tǒng)來控制功率平衡，變頻器和控制系統(tǒng)的連接方式如圖6所示，控制部分采用通訊、硬連接、變頻器主從控制通訊相結(jié)合的方式，變頻器的啟停和保護(hù)等功能通過硬連接實現(xiàn)，變頻器的速度給定通過通訊來實現(xiàn)，變頻器同步啟停通過變頻器的主從控制實現(xiàn)，變頻器的電流和轉(zhuǎn)速過模擬量和通訊雙重給定。

圖6 變頻器和控制系統(tǒng)連接示意圖

　　高壓變頻器內(nèi)部有電機電流檢測元件，檢測電機電流;變頻器通過安裝在電機軸頭的光電編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)速，形成電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制。變頻器把檢測到的電流和轉(zhuǎn)速通過變送后給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過運算電流和轉(zhuǎn)速，通過和給定的轉(zhuǎn)速做比較，相應(yīng)的調(diào)整變頻器的給定轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)變頻器功率平衡的目的，控制系統(tǒng)功率平衡軟件框圖如圖7所示。

圖7功率平衡軟件控制框圖

　　其中：

　　I1為變頻器1輸出電流，即電機1電流;

　　I2為變頻器2輸出電流，即電機2電流;

　　n1為電機1的運行轉(zhuǎn)速;

　　n2為電機2的運行轉(zhuǎn)速;

　　ne為控制系統(tǒng)給變頻器的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速;

　　ne1為控制系統(tǒng)經(jīng)過功率平衡運算調(diào)整后給變頻器1的給定轉(zhuǎn)速;

　　ne2為控制系統(tǒng)經(jīng)過功率平衡運算調(diào)整后給變頻器2的給定轉(zhuǎn)速。

　　三、改造后的效果

　　桑樹坪煤礦在2009年春節(jié)期間停產(chǎn)改造，更換了高低壓配電系統(tǒng)、更換了電控系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)，因為機械部分的電機和減速機未能運輸?shù)浆F(xiàn)場，所以系統(tǒng)沒有全部改造完成，在5月1日前，電機和減速機運輸?shù)浆F(xiàn)場，現(xiàn)場的改造全部完成，改造完成后，現(xiàn)場運行效果良好。在桑樹坪煤礦的皮帶頻繁啟停過程中，變頻器運行穩(wěn)定，同步啟停效果良好，功率平衡在工程允許的5%范圍內(nèi)。

　　皮帶機的啟動過程加速時間為1分鐘，在加過過程中，兩臺電機的電流基本保持平衡，其誤差在5%以內(nèi)。在長期穩(wěn)定運行過程中，兩臺電機的電流誤差保持在3%以內(nèi)。

　　鋼纜機在停機過程中，全部由變頻器再生制動，抱閘不參與工作，減少了抱閘的磨損。

　　在單機拖動試驗中，變頻器由于采用有速度傳感器的矢量控制方式，啟動電流小，不超過額定電流1.2倍，力矩大，完全滿足鋼纜機單機運行、重載啟動的要求。

合康HIVERT-YVF06/077高壓變頻器

　　結(jié)論

　　國產(chǎn)高壓四象限變頻器在鋼纜機上應(yīng)用，在國內(nèi)尚屬首次，自2009年春節(jié)調(diào)試完成至今，運行平穩(wěn)，維護(hù)簡單，因采用矢量控制，適合重載啟動場合的應(yīng)用，是今后鋼纜機及皮帶機拖動發(fā)展的趨勢。