摘要 本文敘述了國(guó)產(chǎn)基茨系列中壓變頻器在煤炭礦井采煤作業(yè)面輸送皮帶機(jī)變頻改造中的應(yīng)用;詳細(xì)地?cái)⑹隽溯斆浩C(jī)的工作原理和變頻改造的方法。分析了三相異步電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限的工作狀態(tài)，介紹了采用IGBT垂直串聯(lián)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)基茨系列中壓變頻器。本改造案例是國(guó)產(chǎn)基茨系列高壓變頻器在煤炭礦井輸送機(jī)上的典型應(yīng)用實(shí)例，為國(guó)內(nèi)各煤礦企業(yè)類(lèi)似的改造提供了范例。 　　關(guān)鍵詞 煤炭皮帶輸送機(jī) 中壓變頻器 IGBT串聯(lián)技術(shù) 四象限變頻器 變頻節(jié)能改造 防爆變頻器 冗余設(shè)計(jì)。 　　 　　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(guó)內(nèi)現(xiàn)有大多數(shù)煤礦的皮帶輸送機(jī)一般都采用工頻拖動(dòng)，較少使用變頻器驅(qū)動(dòng)。由于電機(jī)長(zhǎng)期工頻運(yùn)行加之液力耦合器效率等問(wèn)題，造成皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行起來(lái)非常不經(jīng)濟(jì)；同時(shí)由于電機(jī)無(wú)法采用軟起軟停，在機(jī)械上產(chǎn)生劇烈沖擊，加速機(jī)械的磨損；還有皮帶、液力耦合器的磨損和維護(hù)等問(wèn)題都會(huì)給企業(yè)帶來(lái)很大數(shù)額的費(fèi)用問(wèn)題。這對(duì)于現(xiàn)在創(chuàng)建節(jié)能型社會(huì)是不相符合的，對(duì)煤礦企業(yè)的皮帶輸送機(jī)進(jìn)行變頻改造對(duì)節(jié)約社會(huì)能源、增加煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都具有非常現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。 　　 　　1 皮帶輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)組成 　　華北某煤礦400米井下采煤作業(yè)面采用三段式皮帶下行傳送；第一段向下運(yùn)輸，水平距離950米，提升高度116.3米；第二段向下運(yùn)輸，水平距離680米，提升高度25米；第三段向下運(yùn)輸，水平距離630米，提升高度84.2米。運(yùn)輸能力為3000噸/小時(shí)（最大），皮帶帶寬1.4米，皮帶機(jī)運(yùn)行速度為4m/s，運(yùn)輸方式為下運(yùn)。改造前的拖動(dòng)方式為每段皮帶機(jī)由兩臺(tái)1140V、250KW饒線式三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)液力耦合器同軸連接；皮帶機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行方式為，繞線電機(jī)經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組降壓?jiǎn)?dòng)后工頻運(yùn)行，經(jīng)液力耦合器切換至皮帶機(jī)。第一、二段皮帶機(jī)的電機(jī)分別由同一線路的兩臺(tái)變壓器供電，第三段皮帶機(jī)的電機(jī)由同一線路的另一臺(tái)變壓器供電。改造前各段皮帶機(jī)自成體系，互不聯(lián)系，均采用手動(dòng)運(yùn)行方式，皮帶機(jī)啟動(dòng)后電機(jī)恒速運(yùn)行，采用調(diào)節(jié)液力耦合器的機(jī)械效率來(lái)調(diào)整皮帶的速度。該煤礦井下采區(qū)皮帶機(jī)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(jī)的工作原理和特點(diǎn) 　　皮帶機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪鼓，靠摩擦牽引皮帶運(yùn)動(dòng)，皮帶通過(guò)張力變形和摩擦力帶動(dòng)物體在支撐輥輪上運(yùn)動(dòng)。皮帶是彈性儲(chǔ)能材料，在皮帶機(jī)停止和運(yùn)行時(shí)都儲(chǔ)存有大量勢(shì)能，這就決定了皮帶機(jī)的啟動(dòng)時(shí)應(yīng)該采用軟啟動(dòng)的方式。國(guó)內(nèi)大多數(shù)煤礦采用液力耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的軟啟動(dòng)，在啟動(dòng)時(shí)調(diào)整液力耦合器的機(jī)械效率為零，使電機(jī)空載啟動(dòng)。雖然采用了轉(zhuǎn)子串接電阻改善啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和降壓空載啟動(dòng)等方法，但電機(jī)的啟動(dòng)電流仍然很大，不僅會(huì)引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動(dòng)，還會(huì)造成電機(jī)內(nèi)部機(jī)械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)象。同時(shí)采用液力耦合器軟起皮帶時(shí)，由于啟動(dòng)時(shí)間短、加載力大容易引起皮帶斷裂和老化，要求皮帶的強(qiáng)度高。加之液力耦合起長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)引起其內(nèi)部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動(dòng)等情況發(fā)生，不僅會(huì)加大維護(hù)難度和成本、污染了環(huán)境，還會(huì)使多機(jī)驅(qū)動(dòng)同一皮帶時(shí)難以解決功率平均和同步問(wèn)題。 3 三相異步電動(dòng)機(jī)四象限動(dòng)態(tài)運(yùn)行分析 　　1．從圖1可以看出該皮帶機(jī)是向下輸煤至主井，從圖2可以看出同一皮帶機(jī)上的兩臺(tái)電機(jī)是同軸連接，當(dāng)皮帶機(jī)工作時(shí)兩臺(tái)電機(jī)分別一臺(tái)正轉(zhuǎn)、另一臺(tái)反轉(zhuǎn)。以第一段皮帶機(jī)的1#和2#電動(dòng)機(jī)為例，當(dāng)皮帶機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，1#電機(jī)反轉(zhuǎn)、2#電機(jī)正轉(zhuǎn)，皮帶機(jī)下行運(yùn)動(dòng)；此時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)液力耦合器轉(zhuǎn)換后作用在皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)輪轂上的力矩合成。合成的驅(qū)動(dòng)力矩與驅(qū)動(dòng)輪轂受到的皮帶摩擦力阻力合力矩相平衡，皮帶機(jī)空載運(yùn)行；此時(shí)1#電機(jī)處于反轉(zhuǎn)電動(dòng)態(tài)，工作在第三象限；2#電機(jī)處于正轉(zhuǎn)電動(dòng)態(tài)，工作在第一象限。當(dāng)皮帶上煤后，煤的重力沿皮帶傳輸方向的分力也作用在驅(qū)動(dòng)輪轂上，并使得驅(qū)動(dòng)力矩逐漸增大；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩超過(guò)摩擦阻力力矩后，驅(qū)動(dòng)輪轂的轉(zhuǎn)速將加速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械連接使得電機(jī)轉(zhuǎn)子也加速轉(zhuǎn)動(dòng)，其速度將超過(guò)同步轉(zhuǎn)速；此時(shí)1#電機(jī)處于反轉(zhuǎn)再生態(tài)，工作在第四象限；2#電機(jī)處于正轉(zhuǎn)在生態(tài)，工作在第二象限。 　　電機(jī)運(yùn)行在第一、第三象限內(nèi)時(shí)為電動(dòng)態(tài)，其定子中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向同向，電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)力矩，此時(shí)電機(jī)從電網(wǎng)吸收的電能大部分由電磁轉(zhuǎn)矩作用到轉(zhuǎn)子上以機(jī)械能形式輸出。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在第二、第四象限內(nèi)時(shí)為再生態(tài)，由于轉(zhuǎn)子切割磁力線的方向發(fā)生了改變，故電機(jī)作用到轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩方向也發(fā)生改變，成為轉(zhuǎn)子的制動(dòng)阻力力矩；此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子被負(fù)載的合成力矩拖著以超過(guò)同步轉(zhuǎn)速的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)載作用在皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轂上的機(jī)械能由電機(jī)反饋回電網(wǎng)。故在進(jìn)行下行皮帶機(jī)變頻改造時(shí)，應(yīng)選用四象限帶能量回饋的專(zhuān)用變頻器。三相異步電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限運(yùn)行的特征曲線如圖3所示，變頻驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限的運(yùn)行特征曲線如圖4所示。 　2．變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)情況可以分為電動(dòng)態(tài)啟動(dòng)、再生態(tài)啟動(dòng)和空載啟動(dòng)。為了防止啟動(dòng)時(shí)因?yàn)橥蟿?dòng)系統(tǒng)速度不為零而造成電機(jī)和變頻器發(fā)生過(guò)載情況，變頻器在電機(jī)啟動(dòng)前預(yù)先輸出零赫茲的力矩電流，即變頻器對(duì)電機(jī)預(yù)先輸出一個(gè)直流力矩TL與負(fù)載力矩相平衡，保證拖動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)初速度為零，這樣變頻器啟動(dòng)后逐漸升高輸出頻率，并保持輸出轉(zhuǎn)矩基本不變（視啟動(dòng)后負(fù)載力矩情況而定），實(shí)現(xiàn)電機(jī)的帶載啟動(dòng)。當(dāng)變頻器輸出頻率到達(dá)設(shè)定頻率后，電機(jī)按該頻率下的特征曲線運(yùn)行。圖5、圖6分別為變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)態(tài)啟動(dòng)和再生態(tài)啟動(dòng)時(shí)電機(jī)的特征曲線變化圖，圖中箭頭為啟動(dòng)時(shí)變頻器輸出頻率、輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速及特征曲線等參數(shù)的變化方向。 　　 　4 皮帶機(jī)變頻改造 　　1 皮帶機(jī)變頻技術(shù)改造措施 　　根據(jù)以上分析可以知道，因?yàn)橄滦衅C(jī)運(yùn)行時(shí)其驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)運(yùn)行在四個(gè)象限內(nèi)，這就需要驅(qū)動(dòng)用變頻器是四象限帶能量回饋型變頻器。同時(shí)根據(jù)皮帶機(jī)的工作情況，需要變頻器能夠在電機(jī)帶載啟動(dòng)、空載啟動(dòng)或是停機(jī)時(shí)能夠輸出直流制動(dòng)力矩，以保證皮帶機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)、停止，減小機(jī)械沖擊。 　　為使該皮帶機(jī)同軸的兩臺(tái)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡，在變頻改造中采用同軸的兩臺(tái)電機(jī)的兩套逆變單元公用直流母線、統(tǒng)一控制指令，公用一套整流單元和回饋單元。這樣控制系統(tǒng)檢測(cè)控制兩臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，使之達(dá)到轉(zhuǎn)矩平衡，徹底解決扭震、共振等問(wèn)題。為使整個(gè)皮帶機(jī)系統(tǒng)達(dá)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(tǒng)設(shè)成主從控制；系統(tǒng)檢測(cè)所有電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)運(yùn)算后控制各電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到統(tǒng)一平衡，從而實(shí)現(xiàn)所有電機(jī)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)變頻器內(nèi)部整流單元、逆變單元和回饋單元的冗余連接。當(dāng)某一個(gè)整流或回饋單元發(fā)生故障時(shí)，可以由其他的整流和回饋單元來(lái)完成整流和回饋功能。如果當(dāng)某一個(gè)逆變單元故障時(shí)，則系統(tǒng)檢測(cè)負(fù)載狀況，并計(jì)算其余電機(jī)能否拖動(dòng)整個(gè)皮帶，如果可以則由其余逆變單元和電機(jī)繼續(xù)工作。在改造中保留原有工頻啟動(dòng)柜，將其作為變頻運(yùn)行的工頻旁路備用，提高設(shè)備的應(yīng)急運(yùn)行能力。 　　對(duì)于該中壓變頻器的一次供電，采用同一線路的兩臺(tái)6KV變1140V的電力變壓器并列運(yùn)行向1#～4#電機(jī)的變頻器供電，同一線路的另一臺(tái)6KV變1140V的電力變壓器單獨(dú)向5#、6#電機(jī)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(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在一定程度上降低了整個(gè)皮帶機(jī)供電系統(tǒng)全部停電的風(fēng)險(xiǎn)。皮帶機(jī)變頻改造主電路原理圖如圖7所示。 2 皮帶機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造 　　皮帶機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-300 PLC以主從方式通過(guò)Profibus DP通訊完成連接。井上中控室S7-300 PLC 設(shè)為主站，通過(guò)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(nèi)，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(jī)張力檢測(cè)模擬量信號(hào)。通過(guò)Profibus DP網(wǎng)絡(luò)可以將皮帶機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)與整個(gè)煤礦的DCS系統(tǒng)相連接，也可以通過(guò)安裝LE/PB Link和整個(gè)煤礦的工業(yè)以太網(wǎng)連接。 　　在中控室設(shè)上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)，使用西門(mén)子WinCC組態(tài)軟件，可以對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可以使用該軟件的歷史數(shù)據(jù)記錄功能記錄歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)。PLC控制系統(tǒng)完成對(duì)變頻器的起、停控制，實(shí)現(xiàn)各電機(jī)等速啟動(dòng)和同步控制，對(duì)各電機(jī)進(jìn)行過(guò)流、過(guò)載、短路、斷路檢測(cè)和保護(hù)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)皮帶跑偏檢測(cè)、皮帶堆煤等保護(hù)。圖8和圖9分別為皮帶機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖和上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面。 3 皮帶機(jī)變頻改造中機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造措施 　　皮帶機(jī)變頻改造后，將原有的電氣柜保留作為工頻旁路，同時(shí)將液力耦合器的效率調(diào)至最大；如果調(diào)試中變頻器發(fā)生故障，則可以利用原有的工頻啟動(dòng)柜應(yīng)急運(yùn)行，啟動(dòng)時(shí)調(diào)整液力耦合器效率為零，電機(jī)空載啟動(dòng)，啟動(dòng)后適當(dāng)調(diào)整液力耦合器效率。當(dāng)整個(gè)設(shè)備運(yùn)行調(diào)試完成后，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行一段時(shí)間證明設(shè)備整體運(yùn)行穩(wěn)定、良好后，可以拆除液力耦合器，將皮帶轉(zhuǎn)軸直接連接到電機(jī)上。拆下的液力耦合器入庫(kù)儲(chǔ)存?zhèn)溆茫绻l(fā)生變頻器故障需要工頻運(yùn)行時(shí)，可以把相應(yīng)的液力耦合器再裝上實(shí)現(xiàn)應(yīng)急運(yùn)行。 5 基于IGBT直接串聯(lián)技術(shù)的基茨系列中壓變頻器 　　IGBT是雙極性隔離門(mén)極晶體管的縮寫(xiě)，是具有自關(guān)斷特性的高速功率元件。由于IGBT模塊的耐壓?jiǎn)栴}，使得IGBT串聯(lián)問(wèn)題成為了世界公認(rèn)的尖端難題。為了避開(kāi)IGBT串聯(lián)問(wèn)題，國(guó)外眾多品牌普遍采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)來(lái)生產(chǎn)中高壓變頻器。這使客戶需要花費(fèi)大量金錢(qián)購(gòu)買(mǎi)體積巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多副邊移相降壓變壓器，不僅投資大，而且運(yùn)行起來(lái)很不經(jīng)濟(jì)；更重要的是這種類(lèi)型的過(guò)渡型中高壓變頻器根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行,也就決定了其無(wú)法用于皮帶機(jī)。國(guó)產(chǎn)基茨系列中高壓變頻器采用了吳氏3/2鉗壓技術(shù)，該專(zhuān)利技術(shù)的使用在世界上首次實(shí)現(xiàn)了IGBT模塊直接串聯(lián)使用，使中高壓變頻器真正意義上做到了能夠在四象限運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)了公用直流母線功能。同時(shí)國(guó)產(chǎn)基茨系列中高壓變頻器還采用了抗共摸電壓技術(shù)、諧波擬制技術(shù)、正弦波技術(shù)等多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，使得國(guó)產(chǎn)基茨系列中高壓變頻器已經(jīng)成為世界上唯一品牌的中高壓通用型變頻器。 　　6 結(jié)束語(yǔ) 　　經(jīng)過(guò)變頻技術(shù)改造后皮帶機(jī)運(yùn)行良好，徹底實(shí)現(xiàn)了皮帶輸送機(jī)的軟起、軟停運(yùn)行方式，大大提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)和系統(tǒng)效率。改造后系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載變化情況自動(dòng)調(diào)整輸出頻率和輸出力矩，改變了以前電機(jī)工頻恒速運(yùn)行的模式，在很大程度上節(jié)約了電力能源；而且四象限中高壓變頻器的使用實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)能量回饋功能，進(jìn)一步使得皮帶機(jī)的能耗降低；液力耦合器的退出更大地節(jié)約了設(shè)備的維護(hù)和維修費(fèi)用。經(jīng)過(guò)改造后的運(yùn)行，事實(shí)證明國(guó)產(chǎn)基茨系列中高壓變頻器與眾多國(guó)內(nèi)外過(guò)渡型中高壓變頻產(chǎn)品相比，有著無(wú)法比擬的優(yōu)越的產(chǎn)品性能和無(wú)法超越的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)；在煤炭行業(yè)的節(jié)能改造中應(yīng)用能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益，對(duì)于創(chuàng)建節(jié)能環(huán)保型的社會(huì)發(fā)揮著重要的作用。