摘要 本文敘述了國產基茨系列中壓變頻器在煤炭礦井采煤作業面輸送皮帶機變頻改造中的應用;詳細地敘述了輸煤皮帶機的工作原理和變頻改造的方法。分析了三相異步電動機在四個象限的工作狀態，介紹了采用IGBT垂直串聯技術的國產基茨系列中壓變頻器。本改造案例是國產基茨系列高壓變頻器在煤炭礦井輸送機上的典型應用實例，為國內各煤礦企業類似的改造提供了范例。 　　關鍵詞 煤炭皮帶輸送機 中壓變頻器 IGBT串聯技術 四象限變頻器 變頻節能改造 防爆變頻器 冗余設計。 　　 　　Application of JC Series Middle-High Voltage Variable Frequency Drivers in coal pit belt conveyer Machines 　　FENG Dongsheng Zhang Shidong CUI Tianlong 　　Jaling Electric Manufacture Ltd., Co. Jaling frequency inverter Manufacture Plant 　　 　　Abstract: This discourse describes the application of JC series middle voltage frequency converter which is made in China in coal pit belt conveyer machines; it describes details about the operational principle of coal belt conveyer machines and the method of frequency derived alteration. It is important that this discourse analyses the three-phase asynchronous motor works in four-quadrant and it introduces the JC series middle voltage frequency converter with the technology of IGBT direct in series. The case is the typical application of JC series middle voltage frequency converter in coal pit belt conveyer machines, that is the classic example for ever coal firm in our country. 　　Keywords: Coal pit belt conveyer machines, Middle voltage frequency converter, Technology of IGBT direct in series, Four-quadrant converter, Energy save and frequency derived alteration, Explosion protection frequency converter, Redundancy design 0 引言 　　國內現有大多數煤礦的皮帶輸送機一般都采用工頻拖動，較少使用變頻器驅動。由于電機長期工頻運行加之液力耦合器效率等問題，造成皮帶運輸機運行起來非常不經濟；同時由于電機無法采用軟起軟停，在機械上產生劇烈沖擊，加速機械的磨損；還有皮帶、液力耦合器的磨損和維護等問題都會給企業帶來很大數額的費用問題。這對于現在創建節能型社會是不相符合的，對煤礦企業的皮帶輸送機進行變頻改造對節約社會能源、增加煤礦企業的經濟效益都具有非常現實的經濟意義和社會意義。 　　 　　1 皮帶輸送機的結構組成 　　華北某煤礦400米井下采煤作業面采用三段式皮帶下行傳送；第一段向下運輸，水平距離950米，提升高度116.3米；第二段向下運輸，水平距離680米，提升高度25米；第三段向下運輸，水平距離630米，提升高度84.2米。運輸能力為3000噸/小時（最大），皮帶帶寬1.4米，皮帶機運行速度為4m/s，運輸方式為下運。改造前的拖動方式為每段皮帶機由兩臺1140V、250KW饒線式三相異步電動機經液力耦合器同軸連接；皮帶機的啟動和運行方式為，繞線電機經轉子繞組降壓啟動后工頻運行，經液力耦合器切換至皮帶機。第一、二段皮帶機的電機分別由同一線路的兩臺變壓器供電，第三段皮帶機的電機由同一線路的另一臺變壓器供電。改造前各段皮帶機自成體系，互不聯系，均采用手動運行方式，皮帶機啟動后電機恒速運行，采用調節液力耦合器的機械效率來調整皮帶的速度。該煤礦井下采區皮帶機縱剖面示意圖如圖1，水平面剖面示意圖如圖2所示。 　　2 皮帶機的工作原理和特點 　　皮帶機通過驅動輪鼓，靠摩擦牽引皮帶運動，皮帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。皮帶是彈性儲能材料，在皮帶機停止和運行時都儲存有大量勢能，這就決定了皮帶機的啟動時應該采用軟啟動的方式。國內大多數煤礦采用液力耦合器來實現皮帶機的軟啟動，在啟動時調整液力耦合器的機械效率為零，使電機空載啟動。雖然采用了轉子串接電阻改善啟動轉矩和降壓空載啟動等方法，但電機的啟動電流仍然很大，不僅會引起電網電壓的劇烈波動，還會造成電機內部機械沖擊和發熱等現象。同時采用液力耦合器軟起皮帶時，由于啟動時間短、加載力大容易引起皮帶斷裂和老化，要求皮帶的強度高。加之液力耦合起長時間工作會引起其內部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動等情況發生，不僅會加大維護難度和成本、污染了環境，還會使多機驅動同一皮帶時難以解決功率平均和同步問題。 3 三相異步電動機四象限動態運行分析 　　1．從圖1可以看出該皮帶機是向下輸煤至主井，從圖2可以看出同一皮帶機上的兩臺電機是同軸連接，當皮帶機工作時兩臺電機分別一臺正轉、另一臺反轉。以第一段皮帶機的1#和2#電動機為例，當皮帶機空載運行時，1#電機反轉、2#電機正轉，皮帶機下行運動；此時電機的輸出轉矩通過液力耦合器轉換后作用在皮帶機驅動輪轂上，并與上層皮帶自重沿傳輸面重力分量作用在皮帶機驅動輪轂上的力矩合成。合成的驅動力矩與驅動輪轂受到的皮帶摩擦力阻力合力矩相平衡，皮帶機空載運行；此時1#電機處于反轉電動態，工作在第三象限；2#電機處于正轉電動態，工作在第一象限。當皮帶上煤后，煤的重力沿皮帶傳輸方向的分力也作用在驅動輪轂上，并使得驅動力矩逐漸增大；當驅動力矩超過摩擦阻力力矩后，驅動輪轂的轉速將加速轉動，通過機械連接使得電機轉子也加速轉動，其速度將超過同步轉速；此時1#電機處于反轉再生態，工作在第四象限；2#電機處于正轉在生態，工作在第二象限。 　　電機運行在第一、第三象限內時為電動態，其定子中的旋轉磁場、電機的輸出電磁轉矩與轉子的轉向同向，電機輸出的電磁轉矩是轉子的驅動力矩，此時電機從電網吸收的電能大部分由電磁轉矩作用到轉子上以機械能形式輸出。當電機運行在第二、第四象限內時為再生態，由于轉子切割磁力線的方向發生了改變，故電機作用到轉子上的電磁轉矩方向也發生改變，成為轉子的制動阻力力矩；此時電機轉子被負載的合成力矩拖著以超過同步轉速的速度轉動，負載作用在皮帶機驅動輪轂上的機械能由電機反饋回電網。故在進行下行皮帶機變頻改造時，應選用四象限帶能量回饋的專用變頻器。三相異步電動機在四個象限運行的特征曲線如圖3所示，變頻驅動三相異步電動機在四個象限的運行特征曲線如圖4所示。 　2．變頻器驅動三相異步電動機的啟動情況可以分為電動態啟動、再生態啟動和空載啟動。為了防止啟動時因為拖動系統速度不為零而造成電機和變頻器發生過載情況，變頻器在電機啟動前預先輸出零赫茲的力矩電流，即變頻器對電機預先輸出一個直流力矩TL與負載力矩相平衡，保證拖動系統啟動時初速度為零，這樣變頻器啟動后逐漸升高輸出頻率，并保持輸出轉矩基本不變（視啟動后負載力矩情況而定），實現電機的帶載啟動。當變頻器輸出頻率到達設定頻率后，電機按該頻率下的特征曲線運行。圖5、圖6分別為變頻器驅動三相異步電動機電動態啟動和再生態啟動時電機的特征曲線變化圖，圖中箭頭為啟動時變頻器輸出頻率、輸出轉矩、電機轉速及特征曲線等參數的變化方向。 　　 　4 皮帶機變頻改造 　　1 皮帶機變頻技術改造措施 　　根據以上分析可以知道，因為下行皮帶機運行時其驅動電機會運行在四個象限內，這就需要驅動用變頻器是四象限帶能量回饋型變頻器。同時根據皮帶機的工作情況，需要變頻器能夠在電機帶載啟動、空載啟動或是停機時能夠輸出直流制動力矩，以保證皮帶機平穩啟動、停止，減小機械沖擊。 　　為使該皮帶機同軸的兩臺電機能夠實現轉矩平衡，在變頻改造中采用同軸的兩臺電機的兩套逆變單元公用直流母線、統一控制指令，公用一套整流單元和回饋單元。這樣控制系統檢測控制兩臺電機的輸出轉矩，使之達到轉矩平衡，徹底解決扭震、共振等問題。為使整個皮帶機系統達到同步，可以將所有變頻單元里的直流母線共同連接，將控制系統設成主從控制；系統檢測所有電機的輸出轉矩，經運算后控制各電機的輸出轉矩達到統一平衡，從而實現所有電機轉矩平衡和速度同步。將所有變頻單元的直流母線連接在一起，還可以實現變頻器內部整流單元、逆變單元和回饋單元的冗余連接。當某一個整流或回饋單元發生故障時，可以由其他的整流和回饋單元來完成整流和回饋功能。如果當某一個逆變單元故障時，則系統檢測負載狀況，并計算其余電機能否拖動整個皮帶，如果可以則由其余逆變單元和電機繼續工作。在改造中保留原有工頻啟動柜，將其作為變頻運行的工頻旁路備用，提高設備的應急運行能力。 　　對于該中壓變頻器的一次供電，采用同一線路的兩臺6KV變1140V的電力變壓器并列運行向1#～4#電機的變頻器供電，同一線路的另一臺6KV變1140V的電力變壓器單獨向5#、6#電機的變頻器供電。這種一次供電方案在一定程度上提高了供電系統運行的可靠性，在一定程度上降低了整個皮帶機供電系統全部停電的風險。皮帶機變頻改造主電路原理圖如圖7所示。 2 皮帶機自動控制系統的改造 　　皮帶機自動控制系統采用西門子S7-300 PLC以主從方式通過Profibus DP通訊完成連接。井上中控室S7-300 PLC 設為主站，通過CP342-5 FO 主從通訊處理器光纖接口，使用光纖連接井下S7-300 PLC 從站。井下S7-300 PLC 從站和中壓變頻器都裝置在防爆殼體內，并在井下集中安裝，采用安全隔離模塊隔離處理變頻器和皮帶機張力檢測模擬量信號。通過Profibus DP網絡可以將皮帶機自動控制系統與整個煤礦的DCS系統相連接，也可以通過安裝LE/PB Link和整個煤礦的工業以太網連接。 　　在中控室設上位監控計算機，使用西門子WinCC組態軟件，可以對皮帶機進行實時監控，并可以使用該軟件的歷史數據記錄功能記錄歷史數據和報警數據。PLC控制系統完成對變頻器的起、停控制，實現各電機等速啟動和同步控制，對各電機進行過流、過載、短路、斷路檢測和保護，同時能夠實現對皮帶跑偏檢測、皮帶堆煤等保護。圖8和圖9分別為皮帶機自動控制系統示意圖和上位機監控畫面。 3 皮帶機變頻改造中機械結構的改造措施 　　皮帶機變頻改造后，將原有的電氣柜保留作為工頻旁路，同時將液力耦合器的效率調至最大；如果調試中變頻器發生故障，則可以利用原有的工頻啟動柜應急運行，啟動時調整液力耦合器效率為零，電機空載啟動，啟動后適當調整液力耦合器效率。當整個設備運行調試完成后，實驗運行一段時間證明設備整體運行穩定、良好后，可以拆除液力耦合器，將皮帶轉軸直接連接到電機上。拆下的液力耦合器入庫儲存備用，如果發生變頻器故障需要工頻運行時，可以把相應的液力耦合器再裝上實現應急運行。 5 基于IGBT直接串聯技術的基茨系列中壓變頻器 　　IGBT是雙極性隔離門極晶體管的縮寫，是具有自關斷特性的高速功率元件。由于IGBT模塊的耐壓問題，使得IGBT串聯問題成為了世界公認的尖端難題。為了避開IGBT串聯問題，國外眾多品牌普遍采用單元串聯多電平技術來生產中高壓變頻器。這使客戶需要花費大量金錢購買體積巨大、結構復雜的多副邊移相降壓變壓器，不僅投資大，而且運行起來很不經濟；更重要的是這種類型的過渡型中高壓變頻器根本無法實現電機四象限運行,也就決定了其無法用于皮帶機。國產基茨系列中高壓變頻器采用了吳氏3/2鉗壓技術，該專利技術的使用在世界上首次實現了IGBT模塊直接串聯使用，使中高壓變頻器真正意義上做到了能夠在四象限運行和實現了公用直流母線功能。同時國產基茨系列中高壓變頻器還采用了抗共摸電壓技術、諧波擬制技術、正弦波技術等多項專利技術，使得國產基茨系列中高壓變頻器已經成為世界上唯一品牌的中高壓通用型變頻器。 　　6 結束語 　　經過變頻技術改造后皮帶機運行良好，徹底實現了皮帶輸送機的軟起、軟停運行方式，大大提高了系統的功率因數和系統效率。改造后系統可以根據負載變化情況自動調整輸出頻率和輸出力矩，改變了以前電機工頻恒速運行的模式，在很大程度上節約了電力能源；而且四象限中高壓變頻器的使用實現了皮帶機能量回饋功能，進一步使得皮帶機的能耗降低；液力耦合器的退出更大地節約了設備的維護和維修費用。經過改造后的運行，事實證明國產基茨系列中高壓變頻器與眾多國內外過渡型中高壓變頻產品相比，有著無法比擬的優越的產品性能和無法超越的技術領先優勢；在煤炭行業的節能改造中應用能夠創造巨大的經濟效益和良好的社會效益，對于創建節能環保型的社會發揮著重要的作用。