摘 要：煤礦的運(yùn)輸設(shè)備主要包括提升機(jī)、皮帶機(jī)和鋼纜機(jī)，露天開采的鐵路機(jī)車，大型煤礦的直接汽車運(yùn)輸，但是皮帶機(jī)和鋼纜機(jī)仍然是大型煤礦的主要運(yùn)輸設(shè)備。

關(guān)鍵詞：四象限 高壓變頻器 鋼纜機(jī) 主從控制 功率平衡

概述

煤礦的四大件設(shè)備，主要是提升運(yùn)輸設(shè)備、煤礦主通風(fēng)設(shè)備、煤礦排水設(shè)備和煤礦壓風(fēng)設(shè)備，煤礦提升運(yùn)輸設(shè)備是煤礦的“印鈔機(jī)”，煤礦生產(chǎn)過(guò)程中煤炭的運(yùn)輸通道，是煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備。在煤礦提升運(yùn)輸設(shè)備中，皮帶機(jī)占有重要的地位，鋼纜機(jī)作為皮帶機(jī)的一種，一直在煤礦的生產(chǎn)中扮演重要的角色。

桑樹坪煤礦一號(hào)井鋼纜牽引膠帶輸送機(jī)（以下簡(jiǎn)稱鋼纜皮帶機(jī)）承擔(dān)著斜井原煤運(yùn)輸和人員上下井的任務(wù)。這部膠帶輸送機(jī)現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的是晶閘管串級(jí)調(diào)速，電動(dòng)機(jī)為JRQ158-6型高壓繞線式電機(jī)（功率550kW，電壓6kV），減速機(jī)為NGW172型行星齒輪減速機(jī)，無(wú)軟啟動(dòng)裝置。張緊方式為重錘張緊。

這部鋼纜皮帶機(jī)安裝于1978年，并于1979年11月移交使用，至今已服務(wù)近30年。30年間，雖經(jīng)過(guò)幾次現(xiàn)場(chǎng)部件大修，但也只能勉強(qiáng)維持生產(chǎn)。2007年以來(lái)，該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況急劇變差，各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)嚴(yán)重下降。存在的主要問(wèn)題有：

1、電機(jī)存在缺陷，各項(xiàng)主要性能指標(biāo)明顯下降。

2、兩臺(tái)行星齒輪減速器運(yùn)行狀況十分不好，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

3、SECJ-06全數(shù)字逆變控制器經(jīng)常出現(xiàn)故障，導(dǎo)致無(wú)法正常工作。

4、給主電機(jī)供電的高壓接觸器，整機(jī)已嚴(yán)重老化，經(jīng)常出現(xiàn)故障，

5、高壓開關(guān)柜為油斷路器，有滲油現(xiàn)象，保護(hù)不齊全。

鋼纜皮帶機(jī)

一、改造方案

為確保鋼纜皮帶機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，保證桑樹坪煤礦的安全生產(chǎn)正常進(jìn)行，咸陽(yáng)順安煤礦設(shè)計(jì)院根據(jù)桑樹坪煤礦要求，對(duì)該礦鋼纜皮帶機(jī)的電控系統(tǒng)改造進(jìn)行了認(rèn)真的分析論證，在滿足《煤礦安全規(guī)程》和礦方實(shí)際要求的前提下，本著安全、高效、經(jīng)濟(jì)可行的原則，提出了高壓變頻調(diào)速改造方案：

更新用戶現(xiàn)場(chǎng)的高低壓配電系統(tǒng)，采用PLC電控系統(tǒng)，采用高壓變頻器拖動(dòng)系統(tǒng)，更換電機(jī)和減速機(jī)。

該改造方案中，高低壓配電系統(tǒng)、PLC電控系統(tǒng)、電機(jī)和減速機(jī)具有成熟廠商和設(shè)備;在高壓變頻器的選擇上，因?yàn)樵趪?guó)內(nèi)鋼纜機(jī)的拖動(dòng)中使用高壓變頻器的尚無(wú)可以參考的成功案例，且桑樹坪煤礦的鋼纜機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中有負(fù)力，特殊情況下要求反轉(zhuǎn)，進(jìn)一步提高了對(duì)變頻器的要求，設(shè)計(jì)院和韓城礦務(wù)局做了大量工作，最終選定北京合康億盛科技有限公司生產(chǎn)的兩臺(tái)HIVERT-YVF06/077高壓變頻器。該變頻器是矢量控制、再生制動(dòng)、四象限運(yùn)行的變頻器，變頻器采用主從控制方式，使得變 頻器在運(yùn)行過(guò)程中具有相同的運(yùn)行參數(shù)，同步啟動(dòng)，功率平衡由電控系統(tǒng)參與完成。

鋼絲繩牽引膠帶輸送機(jī)是一種長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高效能的運(yùn)輸設(shè)備。在桑礦，鋼纜膠帶機(jī)除運(yùn)煤外，還兼作上下人員用。

該礦鋼纜膠帶機(jī)的傳動(dòng)裝置示意圖如圖1所示。

圖1　鋼纜膠帶機(jī)的傳動(dòng)裝置示意圖

為了提高膠帶輸送機(jī)工作的靈活性與可靠性，該礦鋼纜膠帶機(jī)具有兩種工作模式：

（1）正常工作模式（即雙機(jī)拖動(dòng)），不使用機(jī)械差速器，每個(gè)電機(jī)拖動(dòng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，兩電機(jī)之間無(wú)剛性連接，而是由鋼絲繩和膠帶構(gòu)成彈性聯(lián)接，兩電機(jī)的調(diào)速回路各自獨(dú)立。

（2）備用工作模式（即單機(jī)拖動(dòng)），當(dāng)其中一套調(diào)速裝置發(fā)生故障時(shí)，可變雙機(jī)拖動(dòng)為單機(jī)拖動(dòng)，以維持生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

二、拖動(dòng)電機(jī)同步啟動(dòng)和功率平衡控制方案

正常工作模式即雙機(jī)拖動(dòng)時(shí)，由于鋼纜膠帶機(jī)的兩臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)不同軸連接，為了全過(guò)程中實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的速度同步及功率平衡，則兩電機(jī)的控制不應(yīng)是各自獨(dú)立，而是彼此相互關(guān)聯(lián)的。因此，設(shè)計(jì)中采用主從控制方式，通過(guò)采集電機(jī)電流判斷，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)以達(dá)到兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的速度同步及功率基本平衡。系統(tǒng)速度、電流閉環(huán)控制框圖2如下。

圖2 系統(tǒng)框圖

四象限高壓變頻器

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩方向?yàn)榭v軸，轉(zhuǎn)速方向?yàn)闄M軸。轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向都為正時(shí)，是正向牽引，為第一象限;轉(zhuǎn)矩為正，轉(zhuǎn)速為負(fù)，是反向制動(dòng)，為第二象限;轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向都為負(fù)，是反向牽引，為第三象限;轉(zhuǎn)矩為負(fù)，轉(zhuǎn)速為正，是正向制動(dòng)，為第四象限。如圖3所示。對(duì)于變頻器而言，就是可以推動(dòng)電機(jī)快速的加速和制動(dòng)，并且可以快速反向加速和制動(dòng)。既能量可以迅速在電機(jī)和電網(wǎng)之間雙向流動(dòng)，四象限變頻器起到橋梁的作用。

圖3 四象限運(yùn)行圖

主從控制

變頻器在多機(jī)隨動(dòng)的情況下，需要有此功能，此功能的實(shí)現(xiàn)方式是，把高壓變頻器的控制器通過(guò)高速通訊網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，參數(shù)設(shè)置里，把需要隨動(dòng)的變頻器設(shè)定為從，把需要電控系統(tǒng)來(lái)控制的變頻器設(shè)置為主。主從控制網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖4所示。主從控制方式中，可以控制同步啟停和功率平衡。

圖4主從控制網(wǎng)絡(luò)

同步啟停

同步啟停是在變頻器接收到外部控制系統(tǒng)發(fā)出的啟動(dòng)或者停車信號(hào)后，主從控制網(wǎng)內(nèi)的高壓變頻器同步的啟動(dòng)或者停機(jī)。同步啟停在無(wú)主從控制功能的高壓變頻器多機(jī)隨動(dòng)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)控制系統(tǒng)把啟動(dòng)或者停機(jī)指令發(fā)送給變頻器后，變頻器中的主變頻器立即執(zhí)行改指令，并且把相應(yīng)的指令通過(guò)高速通訊的方式發(fā)給從變頻器，使得主從變頻器同時(shí)啟動(dòng)或者停機(jī)。

功率平衡

變頻器在多機(jī)隨動(dòng)的情況下，尤其是在鋼纜機(jī)和皮帶機(jī)這種負(fù)載條件下，負(fù)載重載啟動(dòng)，且不能直接工頻啟動(dòng)，直接工頻啟動(dòng)的結(jié)果會(huì)造成皮帶的撕裂和鋼纜的跳槽和掉繩，并對(duì)設(shè)備產(chǎn)生難以恢復(fù)的傷害。在多機(jī)拖動(dòng)時(shí)，電機(jī)的功率平衡成為運(yùn)行過(guò)程中控制的重點(diǎn)。

變頻器自身通過(guò)主從控制可以實(shí)現(xiàn)功率平衡功能，但是用電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率平衡也可以實(shí)現(xiàn)。變頻器實(shí)現(xiàn)功率平衡的方式是，通過(guò)高速通訊，把從變頻器的輸出功率報(bào)告給主變頻器，主變頻器分析判斷計(jì)算后，調(diào)整從變頻器的運(yùn)行頻率，達(dá)到兩臺(tái)或者多臺(tái)變頻器輸出功率基本相一致，誤差控制在5%以內(nèi)。主從控制功率平衡實(shí)現(xiàn)軟件控制框圖如圖5所示。

圖5主從控制功率平衡軟件控制框圖

其中：

Is為從變頻器輸出電流，即從電機(jī)電流;

Im為主變頻器輸出電流，即主安吉電流;

ns為從電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速;

nm為主電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速;

nes為主變頻器給從變頻器調(diào)整后的基準(zhǔn)頻率。

另一種方式是通過(guò)電控系統(tǒng)來(lái)控制功率平衡，變頻器和控制系統(tǒng)的連接方式如圖6所示，控制部分采用通訊、硬連接、變頻器主從控制通訊相結(jié)合的方式，變頻器的啟停和保護(hù)等功能通過(guò)硬連接實(shí)現(xiàn)，變頻器的速度給定通過(guò)通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)，變頻器同步啟停通過(guò)變頻器的主從控制實(shí)現(xiàn)，變頻器的電流和轉(zhuǎn)速過(guò)模擬量和通訊雙重給定。

圖6 變頻器和控制系統(tǒng)連接示意圖

高壓變頻器內(nèi)部有電機(jī)電流檢測(cè)元件，檢測(cè)電機(jī)電流;變頻器通過(guò)安裝在電機(jī)軸頭的光電編碼器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，形成電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制。變頻器把檢測(cè)到的電流和轉(zhuǎn)速通過(guò)變送后給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)算電流和轉(zhuǎn)速，通過(guò)和給定的轉(zhuǎn)速做比較，相應(yīng)的調(diào)整變頻器的給定轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)變頻器功率平衡的目的，控制系統(tǒng)功率平衡軟件框圖如圖7所示。
 

圖7功率平衡軟件控制框圖

其中：

I1為變頻器1輸出電流，即電機(jī)1電流;

I2為變頻器2輸出電流，即電機(jī)2電流;

n1為電機(jī)1的運(yùn)行轉(zhuǎn)速;

n2為電機(jī)2的運(yùn)行轉(zhuǎn)速;

ne為控制系統(tǒng)給變頻器的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速;

ne1為控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)功率平衡運(yùn)算調(diào)整后給變頻器1的給定轉(zhuǎn)速;

ne2為控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)功率平衡運(yùn)算調(diào)整后給變頻器2的給定轉(zhuǎn)速。

三、改造后的效果

桑樹坪煤礦在2009年春節(jié)期間停產(chǎn)改造，更換了高低壓配電系統(tǒng)、更換了電控系統(tǒng)和拖動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)闄C(jī)械部分的電機(jī)和減速機(jī)未能運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，所以系統(tǒng)沒(méi)有全部改造完成，在5月1日前，電機(jī)和減速機(jī)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)的改造全部完成，改造完成后，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果良好。在桑樹坪煤礦的皮帶頻繁啟停過(guò)程中，變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，同步啟停效果良好，功率平衡在工程允許的5%范圍內(nèi)。

皮帶機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程加速時(shí)間為1分鐘，在加過(guò)過(guò)程中，兩臺(tái)電機(jī)的電流基本保持平衡，其誤差在5%以內(nèi)。在長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，兩臺(tái)電機(jī)的電流誤差保持在3%以內(nèi)。

鋼纜機(jī)在停機(jī)過(guò)程中，全部由變頻器再生制動(dòng)，抱閘不參與工作，減少了抱閘的磨損。

在單機(jī)拖動(dòng)試驗(yàn)中，變頻器由于采用有速度傳感器的矢量控制方式，啟動(dòng)電流小，不超過(guò)額定電流1.2倍，力矩大，完全滿足鋼纜機(jī)單機(jī)運(yùn)行、重載啟動(dòng)的要求。

合康HIVERT-YVF06/077高壓變頻器

國(guó)產(chǎn)高壓四象限變頻器在鋼纜機(jī)上應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)尚屬首次，自2009年春節(jié)調(diào)試完成至今，運(yùn)行平穩(wěn)，維護(hù)簡(jiǎn)單，因采用矢量控制，適合重載啟動(dòng)場(chǎng)合的應(yīng)用，是今后鋼纜機(jī)及皮帶機(jī)拖動(dòng)發(fā)展的趨勢(shì)。