变频器在四台矿主斜井强力皮带改造中的应用

马树权

（山西省同煤集团，山西 大同037000）

0 引言

主斜井皮带机是四台矿运煤的咽喉要害，担负着全矿井下原煤运输的任务，每天此设备运输量大、运行时间长。该皮带机的运行可靠与否，直接影响矿井全年产量和生产任务的顺利完成。该皮带机原电控、传动系统为串电阻降流启动方式，启动电流大，启动时对机械部分磨损严重，对皮带容易引起张力变化，从而影响皮带的使用寿命。由于主斜井强力皮带是多电机启动，启动时电机驱动功率难以达到平衡。因此，四台矿于2010年对主斜井皮带机电控、传动系统进行技术改造。

1 改造前后设备使用情况

1.1 改造前

四台矿主斜井皮带机运输长度为864 m，皮带机型号为DX.S6，倾角β＝14.5°，带宽B＝1 400mm，带速v＝3.15m/s，电机为YR－500（3×560kW，电压6kV），减速器为K269P，采用钢丝绳芯胶带提升，设计运输能力Q＝1 640t/h，启动形式为电机串电阻降流启动，通过棒削联轴器带动减速器来驱动主副滚筒，最后通过滚筒与胶带间的摩擦力使用胶带转动运行。

1.2 改造后

电机为1PO8405－4PM80－Z（3×615kW，电压660V），减速器为B3SH17A，启动形式为通过变频器对皮带机采用主从控制进行驱动，使电机慢速启动，带动皮带机缓慢启动，让皮带内部贮存的能量缓慢释放，使皮带机在启动过程中形成的张力波极小，从而在不损害皮带的情况下启动运行。

2 变频器原理

变频器是结合了应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电机的电力控制设备。其基本原理如下：首先将电源的交流电经过整流变换为直流电，再经过逆变器把直流电源逆变为频率和电压可调节的交流电源。

采用变频器对电机进行控制，可通过改变电压与频率而达到调节电机转速的目的。电机转速与工作电压频率满足以下公式：

式中，n为转速（r/min）；f 为输入频率（Hz）；s为电机转差率；p为电机磁极对数。

上式表明，电机转速与工作频率成正比，通过改变电机工作频率即可实现电机转速的平滑调节目的。电机的磁极对数可根据绕组大小变化，双绕组电机通过切换绕组电源可实现速度的大范围调整，变频器即依据上述原理，利用半导体器件的通断作用将电源工频变换为可控制的另一频率的控制装置，具有技术调速范围宽、精度高、节能效果好等显著优点。

3 传动部分设计验算

原始参数：运量Q＝1 640t/h，运输材料容重ρ＝0.9t/m3；带宽B＝1 400 mm，带速v＝3.15 m/s，电机功率P＝3×560kW，减速比i＝22.24；胶带米自重qd＝60.5kg/m，运距L＝846m，倾角β＝14.5°。

改造后：运量Q＝1 640t/h，运输材料容重ρ＝0.9t/m3；带宽B＝1 400mm，带速v＝3.15m/s，电机功率P＝3×615kW，减速比i＝35.5；胶带米自重qd＝60.5kg/m，运距L＝846m，倾角β＝14.5°。

3.1 逆止力矩及制动力矩计算

上托辊折算到单位长度质量：

其中，lt′0＝1.2m；G′＝47kg（按DX 系列输送机托辊旋转质量表）。

下托辊折算到单位长度质量：

其中，lt″＝3m；G″＝39kg（按DX 系列输送机托辊旋转部分质量表）。

逆止力：

FT＝［q×sinβ－（q＋2qd＋q′t＋q″t）ω×cosβ］L×g

FT＝［144.6×sin14.5°－（144.6＋2×60.5＋39.17＋13）×0.02×cos14.5°］×846×9.8≈249 155N

F′T＝1.3FT＝323 901.5N

以上为计算到驱动滚筒上的逆止力。

∵制动器、逆止器分别设在减速器输入轴和第二传动轴上

3台驱动装置输入轴上每台平均制动力矩：

本次改造保持原来6 套制动器（输入轴上双对轮，各一套制动器），每套制动力矩：

M ＝2×5 000N·m ＞M ＝2 767.6N·m

所以满足设计要求。

3.2 高速轴联轴器强度校核计算

柱销剪切强度τ：

柱销挤压强度σp：

其中，l＝240mm（柱销长度）。

因此，高速联轴器满足使用要求。

3.3 低速轴联轴器强度校核计算

柱销剪切强度τ：

柱销挤压强度σp：

外套的剪切强度τ1：

其中，D＝675mm（外套外径），D3＝552mm（外套内径）。

因此，尼龙棒采用MC尼龙6材料，低速联轴器采用45#钢材料，均能满足使用要求。

4 改造后实现的特点

4.1 节约电能

皮带机电机功率615kW，平均每天运行17h左右，日运输煤碳1.2万t。原设计采用直接启动方式，启动后电机全速运行，而井下煤仓下煤量达不到皮带运输机的运输能力，故皮带上煤量不足，这样很不经济，浪费电能。使用变频器对拖动电机进行变频调速后，皮带运输机按实际需要功率出力，把变频器输出频率设为39～49Hz，电机转速比工频速度适当降低，就可以使皮带运行速度与井下煤仓下煤量相匹配，同时降低了运行电压和电流，减小了电能消耗。据矿井统计，变频调速运行比直接工频运行可节约电能10%～15%。

4.2 节省维修费用

原设计采用电机直接启动方式，不能调速，启动过程对电网、电机和传动机械设备冲击较大，加剧了机械设备的磨损，缩短了设备使用寿命，同时也缩短了设备维修周期，增加了停产检修次数。直接启动也造成控制设备如真空接触器、开关等的频繁更换，这都增加了维修费用，停产检修也造成了煤炭产量的损失。而采用变频器后，可以实现皮带运输机软启动，对电网和机械传动设备基本无冲击，大大延长了设备使用寿命。

4.3 有效节约人力资源

采用变频器运行稳定可靠，除正常清洁维护，没有大量的维修工作，故不必配备许多设备维修人员。变频器操作简单方便、运行稳定可靠，每班只需一人值班操作即可，节约了人力资源，相应也提高了生产效率。

4.4 延长皮带使用寿命

采用变频启动方式，通过增大设备转矩使皮带匀速启动，降低了皮带因启动而产生的强大的拉力，减少了启动对皮带接头的损坏。

5 结语

变频启动器结构紧凑、操作简单、节省空间、保护完善。根据皮带电机数量可以组成2～6组的开关组合，能输出1～3个回路，直接同时软启动皮带1～3台驱动电机，而驱动电机直接带动各自减速器就可使皮带平稳快捷运行，省去了耦合器及相关设备，使空间增大，给检修和维护保养带来了极大的方便。新增加的水箱循环冷却系统使得电机和减速器散热更加良好、性能更加稳定。

四台矿主斜井强力皮带变频改造后，减少了配件的投入，也使电机启动速度平稳。通过调节电阻降低了启动电流，减小了对电网的冲击以及对电机、减速机、负载的机械冲击，解决了皮带重载启动难的问题，延长了皮带电机、减速机的使用寿命，降低了劳动强度，大大降低了事故发生率，同时开机率的提高不同程度上增加了煤炭产量，为全矿全年煤炭产量的完成奠定了坚实的基础。

［1］仲明振.低压变频器应用手册［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］李方园.变频器控制技术［M］.北京：电子工业出版社，2010.