摘 要：煤礦的運輸設備主要包括提升機、皮帶機和鋼纜機，露天開(kāi)采的鐵路機車(chē)，大型煤礦的直接汽車(chē)運輸，但是皮帶機和鋼纜機仍然是大型煤礦的主要運輸設備。

　　關(guān)鍵詞：四象限 高壓變頻器 鋼纜機 主從控制 功率平衡

　　概述

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

　　桑樹(shù)坪煤礦一號井鋼纜牽引膠帶輸送機（以下簡(jiǎn)稱(chēng)鋼纜皮帶機）承擔著(zhù)斜井原煤運輸和人員上下井的任務(wù)。這部膠帶輸送機現有驅動(dòng)系統采用的是晶閘管串級調速，電動(dòng)機為JRQ158-6型高壓繞線(xiàn)式電機（功率550kW，電壓6kV），減速機為NGW172型行星齒輪減速機，無(wú)軟啟動(dòng)裝置。張緊方式為重錘張緊。

　　這部鋼纜皮帶機安裝于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)幾次現場(chǎng)部件大修，但也只能勉強維持生產(chǎn)。2007年以來(lái)，該設備運轉狀況急劇變差，各項主要技術(shù)指標嚴重下降。存在的主要問(wèn)題有：

　　1、電機存在缺陷，各項主要性能指標明顯下降。

　　2、兩臺行星齒輪減速器運行狀況十分不好，嚴重影響生產(chǎn)。

　　3、SECJ-06全數字逆變控制器經(jīng)常出現故障，導致無(wú)法正常工作。

　　4、給主電機供電的高壓接觸器，整機已嚴重老化，經(jīng)常出現故障，

　　5、高壓開(kāi)關(guān)柜為油斷路器，有滲油現象，保護不齊全。

鋼纜皮帶機

　　一、改造方案

　　為確保鋼纜皮帶機的安全運轉，保證桑樹(shù)坪煤礦的安全生產(chǎn)正常進(jìn)行，咸陽(yáng)順安煤礦設計院根據桑樹(shù)坪煤礦要求，對該礦鋼纜皮帶機的電控系統改造進(jìn)行了認真的分析論證，在滿(mǎn)足《煤礦安全規程》和礦方實(shí)際要求的前提下，本著(zhù)安全、高效、經(jīng)濟可行的原則，提出了高壓變頻調速改造方案：

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

　　該改造方案中，高低壓配電系統、PLC電控系統、電機和減速機具有成熟廠(chǎng)商和設備;在高壓變頻器的選擇上，因為在國內鋼纜機的拖動(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(shù)坪煤礦的鋼纜機在運行過(guò)程中有負力，特殊情況下要求反轉，進(jìn)一步提高了對變頻器的要求，設計院和韓城礦務(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)、四象限運行的變頻器，變頻器采用主從控制方式，使得變 頻器在運行過(guò)程中具有相同的運行參數，同步啟動(dòng)，功率平衡由電控系統參與完成。

　　鋼絲繩牽引膠帶輸送機是一種長(cháng)距離、大運量、高效能的運輸設備。在桑礦，鋼纜膠帶機除運煤外，還兼作上下人員用。

　　該礦鋼纜膠帶機的傳動(dòng)裝置示意圖如圖1所示。

圖1　鋼纜膠帶機的傳動(dòng)裝置示意圖

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

　?。?）正常工作模式（即雙機拖動(dòng)），不使用機械差速器，每個(gè)電機拖動(dòng)一個(gè)驅動(dòng)輪，兩電機之間無(wú)剛性連接，而是由鋼絲繩和膠帶構成彈性聯(lián)接，兩電機的調速回路各自獨立。

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

　　二、拖動(dòng)電機同步啟動(dòng)和功率平衡控制方案

　　正常工作模式即雙機拖動(dòng)時(shí)，由于鋼纜膠帶機的兩臺拖動(dòng)電機不同軸連接，為了全過(guò)程中實(shí)現膠帶機兩驅動(dòng)電機之間的速度同步及功率平衡，則兩電機的控制不應是各自獨立，而是彼此相互關(guān)聯(lián)的。因此，設計中采用主從控制方式，通過(guò)采集電機電流判斷，進(jìn)行PID調節以達到兩驅動(dòng)電機之間的速度同步及功率基本平衡。系統速度、電流閉環(huán)控制框圖2如下?！　?/P>

圖2 系統框圖

　　四象限高壓變頻器

　　電機在運行過(guò)程中，轉矩方向為縱軸，轉速方向為橫軸。轉矩和轉速方向都為正時(shí)，是正向牽引，為第一象限;轉矩為正，轉速為負，是反向制動(dòng)，為第二象限;轉矩和轉速方向都為負，是反向牽引，為第三象限;轉矩為負，轉速為正，是正向制動(dòng)，為第四象限。如圖3所示。對于變頻器而言，就是可以推動(dòng)電機快速的加速和制動(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 四象限運行圖

　　主從控制

　　變頻器在多機隨動(dòng)的情況下，需要有此功能，此功能的實(shí)現方式是，把高壓變頻器的控制器通過(guò)高速通訊網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)，參數設置里，把需要隨動(dòng)的變頻器設定為從，把需要電控系統來(lái)控制的變頻器設置為主。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發(fā)出的啟動(dòng)或者停車(chē)信號后，主從控制網(wǎng)內的高壓變頻器同步的啟動(dòng)或者停機。同步啟停在無(wú)主從控制功能的高壓變頻器多機隨動(dòng)中是無(wú)法實(shí)現的。當控制系統把啟動(dòng)或者停機指令發(fā)送給變頻器后，變頻器中的主變頻器立即執行改指令，并且把相應的指令通過(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。

　　功率平衡

　　變頻器在多機隨動(dòng)的情況下，尤其是在鋼纜機和皮帶機這種負載條件下，負載重載啟動(dòng)，且不能直接工頻啟動(dòng)，直接工頻啟動(dòng)的結果會(huì )造成皮帶的撕裂和鋼纜的跳槽和掉繩，并對設備產(chǎn)生難以恢復的傷害。在多機拖動(dòng)時(shí)，電機的功率平衡成為運行過(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)現功率平衡功能，但是用電控系統實(shí)現功率平衡也可以實(shí)現。變頻器實(shí)現功率平衡的方式是，通過(guò)高速通訊，把從變頻器的輸出功率報告給主變頻器，主變頻器分析判斷計算后，調整從變頻器的運行頻率，達到兩臺或者多臺變頻器輸出功率基本相一致，誤差控制在5%以?xún)?。主從控制功率平衡?shí)現軟件控制框圖如圖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，即從電機電流;

　　Im為主變頻器輸出電流，即主安吉電流;

　　ns為從電機運行轉速;

　　nm為主電機運行轉速;

　　nes為主變頻器給從變頻器調整后的基準頻率。

　　另一種方式是通過(guò)電控系統來(lái)控制功率平衡，變頻器和控制系統的連接方式如圖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合的方式，變頻器的啟停和保護等功能通過(guò)硬連接實(shí)現，變頻器的速度給定通過(guò)通訊來(lái)實(shí)現，變頻器同步啟停通過(guò)變頻器的主從控制實(shí)現，變頻器的電流和轉速過(guò)模擬量和通訊雙重給定。

圖6 變頻器和控制系統連接示意圖

　　高壓變頻器內部有電機電流檢測元件，檢測電機電流;變頻器通過(guò)安裝在電機軸頭的光電編碼器檢測電機的轉速，形成電流和轉速的雙閉環(huán)控制。變頻器把檢測到的電流和轉速通過(guò)變送后給控制系統，控制系統通過(guò)運算電流和轉速，通過(guò)和給定的轉速做比較，相應的調整變頻器的給定轉速，達到調節變頻器功率平衡的目的，控制系統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1電流;

　　I2為變頻器2輸出電流，即電機2電流;

　　n1為電機1的運行轉速;

　　n2為電機2的運行轉速;

　　ne為控制系統給變頻器的基準轉速;

　　ne1為控制系統經(jīng)過(guò)功率平衡運算調整后給變頻器1的給定轉速;

　　ne2為控制系統經(jīng)過(guò)功率平衡運算調整后給變頻器2的給定轉速。

　　三、改造后的效果

　　桑樹(shù)坪煤礦在2009年春節期間停產(chǎn)改造，更換了高低壓配電系統、更換了電控系統和拖動(dòng)系統，因為機械部分的電機和減速機未能運輸到現場(chǎng)，所以系統沒(méi)有全部改造完成，在5月1日前，電機和減速機運輸到現場(chǎng)，現場(chǎng)的改造全部完成，改造完成后，現場(chǎng)運行效果良好。在桑樹(shù)坪煤礦的皮帶頻繁啟停過(guò)程中，變頻器運行穩定，同步啟停效果良好，功率平衡在工程允許的5%范圍內。

　　皮帶機的啟動(dòng)過(guò)程加速時(shí)間為1分鐘，在加過(guò)過(guò)程中，兩臺電機的電流基本保持平衡，其誤差在5%以?xún)?。在長(cháng)期穩定運行過(guò)程中，兩臺電機的電流誤差保持在3%以?xún)取?/P>

　　鋼纜機在停機過(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。

　　在單機拖動(dòng)試驗中，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(mǎn)足鋼纜機單機運行、重載啟動(dòng)的要求。

合康HIVERT-YVF06/077高壓變頻器

　　結論

　　國產(chǎn)高壓四象限變頻器在鋼纜機上應用，在國內尚屬首次，自2009年春節調試完成至今，運行平穩，維護簡(jiǎn)單，因采用矢量控制，適合重載啟動(dòng)場(chǎng)合的應用，是今后鋼纜機及皮帶機拖動(dòng)發(fā)展的趨勢。