双机驱动皮带输送机驱动装置设计

刘 飞

(阳煤一矿 机电工区，山西 阳泉 045008)

0 引言

带式输送机具有简单的机械结构和可靠的大运输量，在煤矿井下得到广泛应用。由于煤矿运量日益增大，运煤行程较远，且井下安装空间狭小，传统的带式输送机驱动能力日益不足，且其体积较大，不便于安装，已经不能满足生产部门的要求。因此本文设计了一种双机驱动的大功率带式输送机驱动装置。

1 带式输送机主电路原理和电器容量计算

图1为本文设计的双机驱动系统主电路原理示意图，考虑到本系统的工作环境为煤矿井下，因此将所有的电气部件置于一个防爆驱动柜中，这样可以避免系统的输入输出电缆头暴露在瓦斯气体环境下，不会因电缆头放电产生的电火花而引起爆炸，提高了系统的安全性。

图1 双机驱动系统主电路原理示意图

驱动柜内的电气部分可分为输入电路、双机组合变频器、输出电路和其他控制电路。输入电路包括输入滤波器和输入电抗器。双机组合变频器是由两台同样配置的变频器组合而成，两台变频器采用两套控制电路，共用直流母线。输出电路包括输出电抗器和输出滤波器。其他控制电路包括变频器的输出电压、输出电流、电机转速的采样电路、驱动开关管工作的驱动电路等。

本系统完整的电气连接关系为：井下配电分站获取电源后接入到隔离变压器，经过隔离开关和真空接触器连接到驱动柜，由驱动柜的输出电缆连接到驱动电机。因此本文设计的双机驱动系统容量计算包括变压器容量、隔离开关容量、真空接触器容量、变频器容量、电抗器容量、滤波器容量、电机容量。井下配电分站的电源为1 140 V，带式输送机的额定功率为600 kW。

1.1 负载电机

带式输送机的额定功率为600 kW，那么两台电机的输出功率SN应当不小于600 kW，由此可得:

(1)

其中：PM2为带式输送机的额定功率，kW；η1为电机的效率，本设计中取0.85；cosθ为电机的功率因数，本设计中取0.75。由此可得：SN≥941.2 kW。

两台电机的功率应不小于941 kW，因此取单台电机的容量为500 kW。

1.2 变频器

在恒定负载情况下，变频器的容量与电机的容量存在下列关系：

SN1≥k·SN.

(2)

其中：k为变频器的波形修正系数，一般取1.05～1.1；SN1为变频器的额定容量。本设计中波形修正系数取1.1，显然变频器的容量应不小于550 kW，由于两台变频器共用直流母线，因此整流电路的容量应不小于1 100 kW。

1.3 电抗器

电抗器的容量计算公式为：

(3)

其中：U为变频器额定电压，取1 140 V；I为变频器的额定电流；f为变频器的最大频率；P为变频器的额定功率，由上面计算得1 100 kW。计算得电抗器的取值范围为75 μH～188 μH。整流器的功率是变频器功率的二倍，因此取输入电抗器的电抗为输出电抗器电抗的二分之一。

1.4 滤波器

滤波器的作用为抑制电磁干扰，通常根据泄漏电流、额定电流、绝缘电阻和插入损耗确定，插入损耗和泄漏电流都是根据现场测试确定，本文的输入、输出额定电流分别为682.4 A和341.2 A。

1.5 真空接触器

接触器的电流应当不小于两台变频器的额定电流之和，即682.4 A。

1.6 断路器

断路器的作用是当变频器出现故障以后迅速切断故障电流，防止事故进一步扩大。断路器选择的依据是额定工作电流、动作时间和切断电流。额定工作电流的选择公式为：

(4)

其中：Im为断路器的额定电流；ρf为变频器的输入功率因数，根据输入电抗不同稍微有些区别，有输入电抗器的取0.85；η为变频器的效率，约等于95%。经计算，断路器的额定电流Im不小于787 A。

1.7 变压器

变频器的工作电压为1 140 V，所以井下配电从站的电压不能直接使用，需配置一个变压器。在与变频器配合使用时，一般变压器的容量S(kVA)由下式计算：

(5)

通过计算可得变压器容量不小于1 363 kVA，取变压器容量为1 600 kVA，额定工作电压为1 140 V，频率为50 Hz。

2 控制电路设计

双机驱动系统PLC控制原理图如图2所示。变频器可选的控制方法有3种，即变频器本身的外部端子控制、控制面板控制和通过PLC对变频器控制。由于皮带运行性能、运行参数和工作情况数据的采集和控制需要占用变频器的端口和控制器资源，而变频器本身的外部端子控制和控制面板控制无法满足，且开发周期较长，成本高，因此本文采用PLC对变频器进行控制，PLC的开发过程简单，易于工程人员学习和维护。

图2 双机驱动系统PLC控制原理图

本系统采用PLC控制，型号为S7-1200，除控制器外，PLC的外围电路包括数字量模拟量输入输出模块、变频器通讯模块和上位机操作界面。主控制电路的外围电路包括模拟量输入与A/D转换电路、开关量输入与光电隔离电路、状态输出电路、电压电流转速信号采集与D/A转换电路、通讯电路等。主控制电路的控制电源来自于驱动柜三相电源中的两相。

3 辅助电路设计

驱动柜的辅助电路有很多，大致分为电源电路、电机保护电路和驱动柜散热电路。

图3为驱动柜的电源示意图。驱动柜输入三相1 140 V交流电源给变频器主电路供电。三相1 140 V交流电通过一个变压器降压为三相380 V交流电，给柜内风机供电。取1 140 V交流电的两相，通过一个副边三绕组变压器分别输出单相220 V交流电、单相127 V交流电和单相36 V交流电，分别给柜内开关电源、柜内照明和电机综合保护器供电。开关电源将单相220 V交流电输出为直流24 V和直流12 V，24 V给PLC相关设备供电，12 V给皮带机各种传感器供电。选择24 V直流电源9 V为虚拟地，则可以得到一个-9 V电源和一个+15 V电源，可以作为开关管门极和源极的驱动电源。

图3 驱动柜的电源示意图

电机是皮带机的动力来源和变频器的控制对象，必须配置相应的保护电路。本系统电机配置了ZBQ-3TE微机综合保护装置，其电路原理图如图4所示。ZBQ-3TE微机综合保护装置适用于含有烈性气体环境(甲烷、煤尘)的煤矿井下，能与交流50 Hz，电压等级为380 V、660 V、1 140 V，电流最大可以达到400 A的各种型号低压电磁启动器配套使用，应用广泛。本微机综合保护装置具有很丰富的保护功能，例如过载、速断、欠压、过压、断相、三相不平衡、漏电闭锁、风电闭锁等，能实现远方/就地、单台/联台的转换操作，同时具有故障记忆、时间、遥控等扩展功能。

图4 电机保护电路图

驱动柜的散热电路和温度传感器如图5所示。三相电源通过接触器给风机供电，如果环境温度超过20 ℃，接触器动作，风机开始工作；环境温度低于20 ℃，接触器断开电源，达到节能的目的。

图5 散热电路和温度传感器

4 结论

本文设计了一种双变频器驱动的井下皮带机驱动装置，两台变频器共用一台整流装置，集中于驱动柜中安装，节省了设备安装空间。采用PLC控制，实现了电机转速同步控制，无论是变载还是变速系统均可以稳定运行。