同步变频驱动技术在带式输送机中的应用

毛鑫鑫

(山西晋煤集团 晋圣凤红煤业有限公司，山西 晋城 048000)

0 引言

目前，陕西、晋冀地区大型煤矿井下带式输送机通常配备CST可控驱动系统。尽管该驱动技术可以较好地实现带式输送机的平稳起动和高效运行，但仍有故障率高、运行投入量大、耗能量大问题[1-3]。与之相比，变频传输系统可以有效地弥补CST可控驱动系统的缺点，并能进一步改善带式输送机的运行性能。

1 带式输送机驱动方式

带式输送机向长运程、大负载、高效率及大马力方向发展，已成为煤矿保证生产效率的关键运输装置。带式输送机的驱动方式可分为双速电动机、液力偶合器、CST可控驱动等，但这些方式都具有以下不足[4]。

1) 带式输送机运转功率很大，因此，高速运行使带式输送机容易出现磨损，经常需要更换输送带。

2) 带式输送机运输的煤炭量是时刻变化的，若其始终保持高速工作状态，会导致电能的浪费。

2 变频传输系统特点[5-6]

图1为变频传输系统的示意图。

图1 变频传输系统示意图

变频传输系统具有以下特点:

1) 转矩大起动平滑。变频驱动器起动时，依照负载的情况绘制与其对应的S型加减速曲线，电动机扭矩大，尽可能地减少对电动机和输送带的过分损耗，可以提高带式输送机的运行年限，减少维修成本。但在实际工作中有时会因为停电故障导致大负载情况下带式输送机停机，故也需保证负载起动性能。变频器通过DTC控制技术，低频运行最高能输出200%额定扭矩，可以保证负载起动的平滑进行。

2) 系统调控精准，可以实时调整。使用总线通信连接多个变频器，将其中之一设为主机，通过主从控制实现对从机的操作及自动启停、制动系统和张紧器等的调控，而且能把工作状态上传到煤矿的调度监测平台。变频器能精准调节力矩，通过输出功率调节速度，当负载发生变化时，保持转速恒定。

3) 形成多机联合控制平衡。由于带式输送机驱动电动机相互间是挠性连接，运行中往往会发生多台电动机载量分配失衡。而使用变频器来操作配有多台电动机的带式输送机时，采取了一拖一操作，即1台变频器控制1台电动机，多个变频器共同联合“1+N”调节方式。主变频器向其他变频器发送转矩信息，实现主从控制、扭矩闭环调节，达到精准的速率调节和有效的负载均衡。

4) 具备带式输送机自检模式。变频器具有验带运行功能，提前设定验带频率，可以使带式输送机低速运转，方便验带检查操作，快速掌握带式输送机的损耗状况，维持安全运转。

5) 降低故障率、减少装置的修理次数。高质量的变频器因没有物理和液压油损耗，其稳定性大幅提高，变频器的软起动特性使带式输送机可平稳起动，开机过程中对带式输送机的损耗更低，降低断带事故的出现。

6) 绿色节能。具体表现为:

(1) 自动负载调节速率。由于井下的特殊工作环境，带式输送机的负载量时有变化，当负载量少时，带式输送机的极速运转对物理传动部件的损耗很大，所需电量也高于低速状态。变频器能够结合实际的负载量，自行调节带式输送机运转功率，降低输送带的磨损，节约用电量。

(2) 使用变频器能将功率因数至少提高到0.96，减少了无功功率。

(3) 传递效率高。变频器调节实现了电动机和减速器的直接连结，传递效率可提升5%～10%。

(4) 多机带动一台带式输送机，将一台从机当做备用机，主机结合运载量情况实施脱机与并机操作，可以降低能量消耗。

3 变频驱动调节技术的实际应用

3.1 实际应用情况

凤红煤矿是年产量1 000万t的特大型煤矿,20110采煤工作面回采巷道总长度8 000 m，共设置2台带式输送机，带宽1.4 m，传输速度4.5 m/s，载量3 500 t/h，电压1 140 V。其中一台是使用之前的3 000 m带式输送机，驱动源是机头4×400 kW电动机+4×CST420KS;另一台是新购的5 000 m带式输送机，驱动源是机头3×500 kW电动机+中部3×500 kW电动机+6×BPJ-500/1140变频器。机头至中区的长度为2 600 m。前边3部与中间3部变频器使用光纤进行连接，组建一个网络。该套带式输送机的驱动调节及保障系统由变频器、转换开关、电动机、操作台、张紧部件、减速器油泵、通风机和带式输送机安全部件等组成，而变频器是其中的调节中枢。6部变频器组建总线网络，使用操作台操作处于前端的1号机，后端其他从机与主机同步工作，形成动态功率平衡并对带式输送机的速率调节、关机等详细配置，见图2。

2016年3月上述变频驱动系统在平稳工作一年多后被应用到20112采煤工作面回采带式输送机上，运行效果很好。

1) 变频驱动设备在系统启、停及工作过程中，各类事故报警、录入状态、输出状态、调节方式、变频器运行状况、设备连接状态等情况能直观地显示出来，见图3。

2) 变频器具有多种保护手段，多项检测安全后才可以起动，倘若有一项检测不合格则无法正常起动。

3) 装置在工作时对水温、事故起因、设备连接进行实时检测，确保了带式输送机在起动前及起动后的平稳工作。

4) 即使带式输送机在满载时发生故障停机，也能重新平滑起动避免使用人力从带式输送机上铲煤提高了工作效率。

3.2 永磁同步变频驱动装置应用效果分析

与传统的异步电动机比较，永磁同步变频驱动装置能耗明显更低。与“异步电动机+CST驱动装置”相比，相同工况下永磁同步变频驱动装置的能耗量仅为前者的77.7%。具体对比数据见表1。

1)CST驱动装置(CST+异步电动机+减速器+油冷)传动效率为0.821，传动消耗为400×3×(1-0.821)=215 kW，而且CST中油冷部件消耗(包含泵、排气扇、加热)为106.5 kW，按满载驱动算，CST装置的总消耗为321.5 kW。

图2 凤红煤矿变频器驱动调节平台示意图

(a)现场操作台

(b)后台控制界面图3 带式输送机控制设备图表1 驱动装置传动效率对比

参数类型CST驱动永磁同步变频驱动电动机功率/kW400400电动机功率因数/%85.099.0电动机效率/%92.097.0减速器效率/%92.0100.0联轴器1效率/%98.598.5联轴器2效率/%98.5100.0装置传动效率/%82.195.5

2) 永磁同步变频驱动装置(变频器+永磁电动机)传动效率为0.955，无油冷部件，其消耗为0。按满载驱动算，装置总消耗400×3×10.955=54 kW,装置对比节能率为(321.5-54)/1 200×100%=22.3%。

4 结论

1) 变频驱动调节系统在凤红煤矿20110和20112采煤工作面长期应用状况较好，该驱动系统操控简单、调节方便、稳定性高、维修次数少、维护简单、起动平滑、变速效果好，能保证煤矿井下带式输送机运转平稳。

2) 该驱动装置结构简单，占地小，电动机直接与滚筒连接，减小了机头体积。传动效率高，改善了装置共振、噪声情况，优化了生产环境。空载及负载工作时节能成效显著，速率可调，实时监测，可低速运行。装置由永磁电动机和滚筒构成，便于操作，稳定性强，故障率极低。随着该装置的继续优化提升，将来能够推广到井下作业的其他驱动系统中。