煤矿运输机中变频调速技术的应用

杨杰 毛震

【摘 要】交流电动机变频调速技术因其有先进的调速方式和显著的节能效果而得到了广泛应用。文章通过介绍变频器的原理，说明了变频调速技术在煤矿运输机中应用的可行性和合理性。

【关键词】变频调速技术；煤矿运输机；交流电动机

Mine Conveyor Application Frequency technology

Yang Jie，Mao Zhen

（Schenck （Tianjin） Industrial Technology Co.， Ltd Tianjin 300385）

【Abstract】AC motor frequency control technology for its advanced speed way and significant energy savings and has been widely used. The article introduces the principle of the inverter shows the frequency conversion technology in coal mine application feasibility and rationality of transport.

【Key words】Frequency Control Technology；Coal transport；AC motor

1. 前言

（1）随着现代国内外变频调速技术的不断成熟和提高，变频器在我国矿山机电设备中得到越来越广泛的应用。我矿的上仓强力皮带输送机原采用工频拖动，液力偶合器传动，存在传动效率低、启动电流冲击及机械冲击大等问题，造成了系统运行不经济；皮带和液力偶合器磨损严重，维修及维护成本高；由于是多电机驱动，很难做到多电机驱动功率平衡。因此对皮带运输机采用变频控制，能有效降低企业生产成本，提高企业经济效益；控制系统本身良好的控制性能和完善的保护环节，能有效避免事故的发生和延长皮带机的使用寿命。本文简要介绍了煤矿强力皮带输送机的变频控制改造及使用情况。

（2）交流电动机变频调速技术简单说就是根据三相异步电动机的转速随频率变化的特性，通过改变交流电机的供电频率进行调速的一种技术方法，因其有先进的调速方式和显著的节能效果，而得到了广泛应用。尤其是煤矿生产企业中变频器的应用更是广泛。在煤炭行业中使用的生产机械绝大部分是通过电动机来拖动的，如采煤机、运输机、提升机、风机、水泵等设备都采用电动机拖动，而运输机更是煤矿生产中的主要运输工具，在露天煤矿的煤炭作业中，最重要的环节就是运输机系统。该环节能否正常运行直接影响到整个系统的能力的发挥，因此，如何合理有效的对运输机系统进行正确的监控就十分重要。随着电力电子技术和通讯技术的发展，变频调速系统的性能也大大得到了提高。现在工业中应用的变频器技术已经具有性能高、功能多及小型廉价等特点，由于变频调速技术在煤矿提升机、锅炉鼓引风机等方面的优越表现，将其应用到煤矿运输机方面已是势在必行。本文说明把变频器应用到煤矿运输机系统的必要性，并以煤矿运输机系统为例，讨论变频调速技术在这方面的应用。

2. 变频调速技术的原理

2.1 变频调速系统主要由变频器主体、电抗器及辅助器件组成，各器件之间相互配合完成对电动机的速度控制、故障保护等功能。变频器主体采用可控硅整流，并采用若干IGBT功率器件组成逆变器，由交流供电经上级馈电开关进入整流模块，整流成直流，然后进滤波电容后进入IGBT把直流逆变为适当频率、相位和电压的交流电来给电机供电。

2.2 然而，根据异步电动机的转速公式n=60flp（1s），可以看出当转差率s一定时，电动机转速n与电动机电流的频率f1成正比。所以要想平滑地调节异步电动机的运行速度，只要连续地改变供电电源的频率就可以。但当FI发生变化时电动机的其它参数也会相应的改变，其他参数一旦改变，电动机的运转特性就会发生变化，这样的结果就是得不到满意的调速特性。要想解决这个问题，根据电机学的知识，需配合着调节定子电压。由电机学异步电动机定子电压平衡方程式：U1=EI+I121。

定子感应电势的有效值为：E1 4.44flwlOmkwl。

f1：定子频率；w1：定子的绕组系数；φm：主磁通；kwl：定子绕组串联匝数；I1：定子电流；z1：定子等效阻抗。

忽略定子压降，有：

UI≈EI=4.44flwlφmkwl∝c4flφm。

2.3 根据以上表述，当fI下降时，n下降，φm也下降。当U1不变时，则U1-E1增大，Im增加。一般电机工作在额定频率时，磁路已经接近饱和，φm的增加会使电机的磁路过分饱和，导致Im急剧地增大。其后果是大大降低了电动机的功率因数和电动机的负载能力。由此分析可以看出，变频调速技术的应用可以良好地解决这个问题，使电动机获得满意的调速特性。

3. 煤矿运输机的特性

对运输机运输系统的研究表明，运输负载特性是恒速负载。运输机工作时，系统在不同的低速扭矩下速度几乎是不发生变化的。在煤矿的整个生产过程，特别是在煤矿，材料的正常运送下，运输机均匀性的特点是不变的，只是负载电阻在一定范围内引起扭矩的变化。此外，整个生产过程中的运输，输送带的速度几乎是相同的。运输模式，从操作的角度来看，是零功率，电源，或接近零功率，负电源。运输长度几公里到几十米甚至几十公里的长度短。此外，低速驱动系统也应该有其职能的经验。在冬季也有一个长期低速运行的功能。因此，运输机系统是一个非常复杂的的系统。变频驱动系统，特别是矢量控制系统具有良好的高速性能和低长期运行。速度反馈可以预先给定的速度，扭矩是通过目前的监测和控制的自动调节，甚至可以根据实际需要引进张力测量和控制过程，使整个交通系统更加稳定可靠。

4. 煤矿运输机的变频调速应用分析

（1）运输机系统是一个复杂的机械和电气系统，重载高速，并在转型过程中的启动制动，运输，传送带将有很大的动态张力，可能会导致全部或部分的皮带滑动，导致传动皮带强大的表面和驱动滚筒垫磨损和热量，使皮带和辊之间的粘附系数降低，甚至难以启动和运行。张力下移动的输送带，减少了安全系数，增加了负载张紧装置，附加位移，并有很大的影响，甚至产生很大的机械损坏。

（2）运输机的整体工作过程分为三个阶段：初级阶段决定所需的时问影响整个输送带的静态电阻驱动滚筒阶段实施，需要从过去的辊传动滑轮的静态电阻组反映回来的时间来决定；在起动的一瞬间，静阻力变为动阻力，带段开始运动。在这个过程中，由于静态到动态电阻的突变，使输送带产生振动，导致输送带截面内的动张力上升。起动过程中的运输，皮带张力初始张力的基础上增加，在驱动滚筒的驱动器输入的推动力传送带周围的切入点，并促进返回输送。运输阶段是由初级阶段启动到额定转速，这个过程中的运输机是一种不稳定的状态，因为使用的交流电机的特点，往往在输送带出发时，产生最大的过程中的动态张力。输送带是一个粘弹性体，在驱动力的作用下会产生粘弹性变形，由于不稳定而产生动张力，同时输送带在起动前各部分的静阻力各不相同，是一个逐级起动的过程。对输送带中的某一带段来说，只有它两端的拉力差大于它所受的静阻力时，才会起动。当输入的驱动力突变时，对输送带会产生冲击，产生峰值张力，它和运输机的长度，运行阻力，输送带的力学性质等因素有关。最有效的调整办法是通过变频驱动装置改变驱动装置的机械特性，使输入平稳变化，以消除峰值张力。

（3）在非稳定运动状态下，输送带除受静张力作用之外，还受速度变化引起的附加动张力的作用。运输机启动后阻转矩的大小与传输速度无关，属于恒转矩负载。当动张力与静张力叠加在一起时，这种情况会引起驱动滚筒处运输机张力的急剧增大，使运输机的工况处于不稳定状态，甚至使输送带滚筒和电机及其它部件损坏，导致运输机无法工作。加入变频调速技术控制后的系统在电机运转时，变频系统具有的变频调速装置首先改变供电电压的频率使电机的启动转速特性改变，按照系统事先设定好的时间范围慢慢由零转速增大到运行速度，整个过程对电网无冲击，启动过程平稳可靠，大大延长运输机电机的使用寿命、减少运输机系统机械部份的检修工作任务量。使用中，重载平稳起动效果明显，本变频调速系统还增加了速度调整功能，智能的根据运输机上的煤炭的重量对运行速度进行调节，不管负荷大小都可智能的加以区分，并根据实际情况实现平稳起动，将电机的起动和运输机的起动合二为一，慢速起动电机，带动运输机缓慢起动，慢慢释放皮带内部贮存的能量，使运输机在起动过程中产生的张力化解掉，这样可对皮带的损害降到最小。实践证明，该系统投入实际运行后，整个运输机系统的故障明显减少，托辊及滚筒的寿命延长，并且实现了运输机多电机驱动时的功率平衡。

5. 经济效益

5.1 节约电能。

皮带机电机功率为3×250kw，平均每天运行12h左右.原设计采用直接起动，起动后电机全速运行，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39hz～40hz，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%。

5.2 节省维修费用。

原设计采用电机直接起动，不能调速，起动过程对电网、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。直接起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，大大延长设备使用寿命。自2008年10月投运至今近两年，一直稳定运行，除正常清洁维护外，没有发生停产检修故障，这无疑节约了维修成本又保证生产不受损失。

5.3 有效减少人力资源、降低了设备的维护量。

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，利用变频器的软起动功能实现带式输送机的软起动，起动过程中对机械基本无冲击，也大大减少了皮带机系统机械部份的检修量。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1人值班操作即可，节约了人力资源，相应也提高了生产效率[5]。

6. 结束语

（1）防爆变频调速装置投入运行后，我矿整个上仓强力输送机系统及驱动电机的事故明显下降，既延长了整个胶带输送机系统的使用寿命，同时又保证了正常生产和生产安全，经济效益和社会效益明显。

（2）总之，采用变频调速技术改造后的传统煤矿的运输机电控系统，具有设备体积小、调速范围大、调速特性好、无级调速、效率和功率因数高等优点，具有明显的节能降耗作用，还能够创造巨大的经济效益和社会效益。实践证明，它不仅拥有较高的性价比，而且大大提高了皮带机的可靠性，降低了机械系统损耗，同时减少了运输系统的维护量，且节能明显，在煤矿中值得推广和应用。

参考文献

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[文章编号]1619-2737（2015）05-31-372