变频技术在井下皮带运输系统中的应用

权嗣威

（山西焦煤汾西矿业集团，山西 介休 032000）

0 引 言

山西焦煤汾西矿业集团公司统计全矿井运输设备的总装机负荷占矿井总负荷的2/5左右，而耗能占全矿井的1/3左右，是煤矿的耗能大户，采用技术改造实现节能降耗在煤矿运输系统将有比较大的节能潜力，据综合分析运输设备采用变频调速节能可达到30%，具有明显的经济效益和社会效益。

1 现行状况

煤矿井下大部分运输皮带机均为直接启动，由于起动时间短，对转动轴（受弯扭力）和减速器冲击较大，加快减速器齿轮磨损，缩短了机械设备的使用寿命，同时，由于直接启动时电机启动电流大，对井下电网造成较大程度的影响；电机频繁启动会严重发热，加速线圈老化，缩短电机寿命。基于以上原因，对紫金煤业井下几处皮带机进行了技术改造，皮带输送机采用变频驱动控制，实现全过程变频调速。

煤矿井下开采作业的环境特点：作业空间狭小、潮湿，空气中含有沼气、粉尘等易燃易爆炸成分。按照《煤矿安全规程》的要求，在煤矿井下采掘工作面使用的电气设备和控制设备，必须是符合煤矿井下环境应用的隔爆型或本质安全型设备。

紫金煤业材料巷皮带机参数为：带宽1 m；带速，3.15 m/s；运量，800 t/h；使用两套200 kW驱动装置。驱动装置的组成为：电机+液力偶合器+减速器+驱动滚筒。改造后驱动装置的组成为（TBD-560M-32Y）：无齿轮永磁同步变频电机+变频器+联轴器+驱动滚筒。

ZJT-250/660型矿用隔爆兼本质安全型变频器(以下简称变频器)适用于交流50 Hz、电压660 V供电系统、250 kW及以下三相交流电动机的调速控制,具有启动转矩大、起停平稳等特点，能实现交流电机在各种负载情况下的平滑启动、调速、停车等,具有工作状态屏幕显示，过载、过电压、欠电压、缺相、过热、漏电闭锁等保护功能[1]。

2 变频调速原理及主要实施方案

2.1 调速原理

三相异步电动机速度公式为[2]：n=(1-s)60f/p

式中：n为异步电动机的转速；f为电源频率；s为电动机转差率；p为电动机极对数；

由公式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，实现平滑调速。当频率f在0~50 Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速时注意变频与调压的配合，变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。

皮带机采用变频驱动控制，解决在皮带机启动过程中软起动和大于额定转矩的1.5倍下的重载起动，减少对皮带和电网的启动冲击。在轻载或空载运行时自动降低皮带机的运行速度，起到节电和减少对胶带及托辊的机械磨损，并可配合皮带张紧装置完成皮带机在停电状态下放松皮带，减少皮带的疲劳，增加皮带的使用寿命，实现低速验带及检修、高速运行等功能。解决多台电机拖动之间的功率平衡问题。

2.2 矿用隔爆兼本质安全型变频器

ZJT-250/660型矿用隔爆兼本质安全型变频器主要采用交-直-交方式，即先把工频交流电源通过整流装置转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

采用变频器对皮带机进行驱动的优越性有以下几点：1）真正实现皮带机软启动。通过电机慢速启动带动皮带机缓慢启动，将胶带内部贮存的能量缓慢释放，可将输送机启停时产生的冲击减至最小，几乎对胶带不造成损害。2）降低胶带带强。由于变频器启动时间可以在1～3 600 s内调整，皮带机启动时间通常在60～120 s内根据现场情况设定。启动时间延长大大降低对带强的要求，减少设备初期投资。实际应用中，由于降低了启动冲击，机械系统的损耗也随之降低，尤其托辊及滚筒寿命大大延长。3）实现皮带机多电机驱动时的转矩平衡。多电机驱动时采用主从控制方式，实现转矩平衡。4）验带功能。低速验带功能是皮带机检修的要求。变频调速系统为无极调速的交流传动系统，在空载验带状态下可调整0～100%额定带速范围内的任意带速。5）平稳的重载启动。变频器低频运转可输出2.2倍额定力矩，适于重载启动。6）自动调速。变频器配合煤流传感器可以根据负载轻重自动调节胶带速度，节电的同时还减少了胶带的磨损。7）节能。由于煤矿的特殊生产条件，有时煤的产量是极不均匀的，皮带机的运煤量也是不均匀的。在负载轻或无负载时，皮带机系统的高速运行对机械传动系统的磨损浪费较为严重，同时电能消耗也较低速运行大得多，只因生产的需要皮带机系统又不能随时停车。如果采用单独的控制系统对前级运输系统的载荷、本机运输系统的载荷进行分别测量，这样可控制变频器降速或提前升速。对于载荷不均的皮带机系统，可节约电能，降低皮带的磨损，提高生产效率。无中间减速器和液力耦合器环节，电机直接传递功率给传动滚筒，采用ZL13柱塞联轴器联接。实现变频软起、启动平稳，对电网无冲击，同时减少了对皮带机结构件的机械冲击。省去了减速器、液力耦合器等部件的维护成本投入，节省了油脂消耗。8）减小电压降（启动电流仍为额定值）、降低了机械应力（启动扭矩仍控制在额定值）、变速、多电动机驱动时有良好的载荷分配能力，以及相当高的传动效率［3］。

公司大量矿井设备陈旧，运行耗电量过大，造成在设计过程中过多地考虑建设前、后期工艺要求的差异，选型裕量过大，使设备长期在低负载、低运行效率下工作。许多矿山位于电力供应匮乏的偏远的地区，当输送机电动机在全电压下启动时，其启动电流可能达到满载电流的600%，这么大的增加量会引起很大的电压降，对矿区的其他系统造成冲击。有很多电机调速和启动方法很落后，这种状况不但浪费了大量电能，而且造成机械寿命降低，而变频器可实现降压启动，电动机可启动很慢，逐渐加速到全带速。当传递150%的电动机额定扭矩时也决不会超过满载电流的150%。这样启动可大大降低对供电系统的要求,造不成对与带式输送机共用电源的其他关键设施的冲击，因此，在企业推广变频调速的效益和潜力是非常巨大的，也符合当前国家的能源改革。近些年来，变频器在煤矿企业应用越来越多，大多都是低压变频器。

皮带输送机是煤矿生产中重要的机电设备之一，但是由于皮带机的运行需要大量电能的支持，尤其是长距离输送，更是会耗费大量的能源，对输送机内部制动器的运行负荷也极大，因此，将变频器应用于煤矿皮带输送机中，实现长距离输送状态下的软启动、空载低速运行等，同时，在变频器的作用下，输送机的工作状态相对稳定，将达到连续、自动化运行的目的。

现场每台电机配置一台变频器，各变频器根据指令对各自的电机进行独立的控制，使各电机转速相同、出力相同。见图1。控制过程如下：

以其中的一台变频器为主机，其余的变频器为从机，对变频器的输出电流进行采样比较，通过改变从机的控制信号，使其始终跟随主机而变化。当从机的电流大于主机时，降低从机的给定信号，从而使从机的输出频率减小，电机转速降低，负荷减轻，电流变小；当从机的电流小于主机时，提高从机的给定信号，从而使从机的输出增大，电机转速升高，负荷加大，电流变大。最终使电机负荷基本一致，电流在允许的范围内。

图1 皮带机变频器主从控制简图

从目前变频器使用情况来看，平均节电28%，在技改项目中变频系统的投入和使用，是非常有效的节能手段。节省资金为煤炭行业带来可观的经济效益和社会效益。该套系统成功投入运行以来，至今运行正常，没有出现任何故障。

3 结束语

由于煤矿生产的特殊环境和安全上的特殊要求，变频器在煤矿的应用起步比较晚。随着我国市场经济的深入发展，煤矿的增产、降耗、增效被提到了重要地位，设备节能改造势在必行。

我国是世界上的产煤大国，又是能源贫乏的国家之一，而且也是吨煤电耗比较高的国家。我们要创造出一条以低能耗实现现代化的新路,节能降耗实为明智之举。如果煤矿井下多数使用变频调速装置，节约能源的效果将是非常可观的。

[1] 金丰民.带式输送机实用技术[M].北京：冶金工业出版社，2012:2.

[2] 郁汉琪.电气控制与可编程程序控制器应用技术[M].江苏：东南大学出版社，2003:6.

[3] 赖昌干.矿山电工学[M].北京：煤炭工业出版社，2006:9.