煤矿大功率刮板机高压集成变频驱动技术研究

李卫涛

【摘 要】大采高工作面大功率运输设备采用高压集成变频技术，在驱动机构传递效率、可靠性和节能降耗等方面均相对于传统液力耦合器有较大优势，成为高产高效矿井驱动装备最佳选择，煤矿大功率运输设备采用高压集成变频驱动技术也成为当前煤矿节能型装备的发展趋势。随着矿用变频驱动技术的高速发展，大功率、高压集成变频技术逐渐成熟，综采工作面大功率高压刮板运输机采用变频驱动成为发展趋势，相对于传统的液力耦合器驱动，驱动的传递效率得到较大提高，故障影响时间减小，对于多驱设备同步性提高明显，通过变频智能调速，大功率设备每年可以节省大量电能，且由于设备采购投入成本较小，控制系统较为简单，成为高产高效矿井新装备选型及驱动改造更新的最佳选择。

【关键词】高压集成变频 整流单元 逆变单元 谐波控制

1 高压集成变频装置选型基础

山西省潞安集团李村煤矿位于长治市长子县南李村村东100m处，矿井生产规模为500万吨/每年。该开采3号煤层，平均厚4.96m，属高瓦斯矿井，采用一次采全高回采工艺。该矿1303工作面运输装备选型为SGZ1000/2x1000刮板输送机，运输能力2000 t/h（近水平时），刮板链速约1.35m/s，安装长度：280米，采用端卸式，机头机尾各安装一套平行动力部，驱动电机功率2×1000 kW，供电电源为3300V、50Hz。

2 高压集成变频驱动方案

2.1 系统配置

2×1000kW刮板输送机采用1台BPJV-2×1250/3.3高压集成变频器驱动，高压组合变频器具有2个变频输出回路，分别拖动机头、机尾电机。该方案设备配置数量少，占用空间小，集约化程度高，运输、安装、布线简单，维护量小。驱动系统如图1所示。

2.2 高压集成变频控制系统

2.2.1 远程监控技术

高压集成变频器具有标准MODBUS总线接口，满足刮板输送机与矿井自动化系统的通讯需求，可将整个驱动系统的数据上传至地面调度室，还可通过远程访问查看设备运行状态，观察数据运行情况，对设备进行维护等工作。控制系统如图2所示，地面调度室监控井下设备运行状态，可以互联网数据上传至变频器生产厂家，实现远程诊断。

2.2.2 通讯控制技术

高压集成变频器具有丰富的外部数字控制接口和通讯接口，能够与通讯控制保护系统无缝连接，如KTC101等，实现刮板输送机的控制与保护。

2.2.3 温度监测、显示和保护

传感器信号长距离采集存在失效和布线难的问题，设备现场就近设置信号采集箱，采集电机绕组、电机轴承、减速机轴承、减速机油温等信号，通过高速总线的方式传送给变频器，变频器根据所设置的温度上下限进行预警保护停机等动作。信号连接如图2所示。高压集成变频器配有中文显示屏实时显示采集的信号值。

2.2.4 系统供电

高压集成变频器由一台2500kVA十二脉移动变电站供电，如图3所示。每台移动变电站具有两路输出，两路输出电源之间存在30度的相位差，为变频器提供12脉冲电源。高压集成变频装置采用12脉冲电源整流减小可以直流脉动，减小电网谐波干扰，提高变频器整流单元稳定与可靠性。

3 高压集成变频控制装置主要实现功能

（1）控制电缆短路防止误启动安全保护功能，动力电缆开路防止设备误启动安全保护功能。（2）供电回路，变频主电路，负荷电缆，电动机，漏电跳闸保护和漏电闭锁双重保护，并在显示屏实时显示绝缘值功能。（3）实现断链自动停机保护，刮板输送机出现馈链、卡链现象，严重时会导致链环断裂，变频器可自动判断断链并保护停机，避免事故范围扩大。减少恢复工作量，降低劳动强度。（4）刮板输送机的重载软启，高压组合变频器启动可输出不小于2.2倍额定转矩，系统根据负载的状况设定与之适用加减速时间，最大程度降低对电机及相关机械设备的冲击损伤，延长设备使用寿命，降低维修费用，满足井下刮板机的控制要求。（5）电动机轴承、绕组温度监测、显示和保护功能接口，减速箱温度监控保护接口。（6）数据上传功能（包括刮板机运行数据上传至网络接口及相关监控软件），运行数据显示记录功能：包括故障记录，操作记录，运行电流、电压、转矩、温度、湿度等记录。记录时间不小于3年，可以现场无线和有线拷贝，远程传输包括数据图表功能。（7）变频器每一回路均配有滤波单元，抑制电磁干扰和控制谐波功能，变频器供电设计为12脉整流减小直流脉动，减小电网谐波干扰。（8）机头机尾功率平衡。高压变频器可以读取任一时刻的电机输出转矩，还可以精确的对输出的转矩进行控制，三个回路通过内部高速总线实现主从通信，实现机头机尾功率平衡。（9）自检保护功能。变频器具有开机自检和故障自诊断功能，可方便的诊断出当前的状态是否正常，并在显示屏上显示故障代码，能够明确指示故障信息并提供故障解决措施。（10）启停控制功能。启动控制：操作控制台输出先导启动信号给高压组合变频器，高压组合变频器接收到信号后开始启动，从回路跟随主回路运行，主从回路从0Hz 逐渐加速，加减速时间0～1800秒可调，现场根据负载的状况设定适宜的加减速时间。低速检修模式：高压组合变频器具有低速检修模式，低速检修模式就可以根据设置的任意速度来运行，利于平时检修和节能。停止和急停：正常停止过程为控制台输出的运行（开关量）信号断开，高压组合变频器收到停止信号后变频器停止输出。紧急状况下按下高压组合变频器上的急停按钮或控制台发出急停信号（或高压组合变频器自身检测到的短路、超频等故障信息），高压组合变频器立即停止输出，并在显示屏上显示故障信息。（11）近控与远程控制功能。近控控制模式：通过变频器自带的操作键盘进行启停控制；远程控制模式：利用远程启停信号进行控制。远程控制具有二线式本安先导控制功能，可与国产或欧式控制设备直接接口。

4 高压集成变频装置技术特点

（1）设备配置数量少，占用空间小，减少工作面列车长度，方便安装、移动和维护；（2）起动特性好，初始转矩大，转矩上限最大可设置为电机额定转矩的220%。刮板输送机两个变频回路之间采用高速CAN总线通讯，两台电机出力始终保持一致。（3）保护速度快、断链保护齐全，根据链条强度设置最大转矩保护，减少断链的发生，最大转矩限制值通过参数页面设定。设备存储了历史断链的数据曲线，当检测到符合断链特征的电压、电流波动情况时，实施断链保护，降低断链的几率，减轻修复时的工作量。（4）易维护，相比CST、液力耦合器，高压变频器无需定期的维护；高压集成变频装置配置了液晶顯示屏，数据显示直观，故障信息及排除故障的引导步骤清晰，易操作；（5）操作简单，高压集成变频器系统连接至操作台，所有控制操作在操作台上进行，简便易行；实现正反向起动，在控制台上就可实现。（6）系统结构简单、效率高，高压集成变频器采用交直交电压源型结构，提高供电系统功率因数；替代CST，采用直接对轮连接减少设备安装空间；消除了液力耦合器（或CST）的机械磨损。

参考文献：

[1]马树焕.刮板输送机驱动装置的控制技术及应用[J].防爆电机2010，45（153）30-32.

[2]牛旭原.综采刮板输送机大功率变频驱动系统及与CST、TTT系统的性能比较[J].内蒙古煤炭经济，2009（2）：74-77.