榮信 崔家溝煤礦皮帶機上的應用

一、引言：

皮帶機在煤礦的使用非常普遍。國內(nèi)現(xiàn)有大多數(shù)煤礦的皮帶輸送機電機一般都采用軟啟動裝置為液力耦合器或CST的(集變速箱，耦合器，電液控制為一體)來實現(xiàn)軟起動。這些設備雖然能部分解決皮帶機的軟啟動問題，運行還是工頻拖動，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題目，造成皮帶運輸機運行起來非常不經(jīng)濟；雖然這些設施可以實現(xiàn)一定軟起軟停，跟變頻相比還會有較大機械上劇烈沖擊，加速機械的磨損；還有皮帶、液力耦合器的磨損和維護等題目都會給企業(yè)帶來很大數(shù)額的用度題目。

隨著高壓變頻技術的不斷進步和完善，已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)調(diào)速設備的位置。這對于現(xiàn)在創(chuàng)建節(jié)能型社會是不相符合的，對煤礦企業(yè)的皮帶輸送機進行變頻改造對節(jié)約社會能源、增加煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益都具有非?，F(xiàn)實的經(jīng)濟意義和社會意義。

二、用戶簡介  崔家溝煤礦位于陜西銅川市西北40公里的杏樹坪地區(qū)。50—60年代礦部設在崔家溝，70年代后遷杏樹坪，故稱崔家溝煤礦。礦井鐵路專用線，引自梅七線安子溝車站，全長2．4公里。煤礦由崔家溝平硐、崔家溝、桃花洞、松山和杏樹坪斜井組成，設計年生產(chǎn)能力200萬噸。

崔家溝煤礦主斜井為三機雙滾筒皮帶機運煤方式，單臺電機功率6kv、280kw，皮帶機由三臺電機拖動，電機配置在機頭，兩臺電機同軸安裝。 

主輸送帶單面帶長1080m，帶寬1m，輸送能力465噸/小時，三臺拖動電機同為280KW高壓電動機帶載。

現(xiàn)場采用雙滾筒帶載，1#電機與2#電機同軸安裝帶動1#滾筒，3#電機驅動2#滾筒。 滾筒驅動形式為：高壓電機帶動安裝于電機軸端的液力耦合器，當電機軸達到一定轉速，液耦一側與皮帶減速機連接，帶動減速機驅動滾筒旋轉。

高壓電機參數(shù)： 型號YJS400-6；頻率50HZ；功率280kW；電壓6000V；電流32.98A；額定轉速990r/m. 1．原電氣系統(tǒng)構成： 系統(tǒng)原理圖

原現(xiàn)場電控部分外部6KV高壓進線引致高壓配電柜（見圖9），高壓經(jīng)總進線柜分配至三個控制柜（見圖12），由三個控制柜分別控制三臺電機。高壓控制柜由刀閘（見圖10）、高壓熔斷器，高壓接觸器（見圖11）組成。三臺電機高壓接觸器受原主控系統(tǒng)（見圖13）依1#-3#-2#方式啟動，啟動間隔2-3s。 2．原系統(tǒng)運行中存在問題： a、工頻啟動，初始電流很大，為電動機額定電流的4～7倍。啟動瞬間電流會在啟動過程中產(chǎn)生沖擊，引起電動機內(nèi)部機械應力和熱應力發(fā)生變化，對機械部分造成嚴重磨損甚至損壞。同時引起電網(wǎng)電壓的下降，造成現(xiàn)場啟動皮帶機時電網(wǎng)波動很大，數(shù)次出現(xiàn)上級高壓斷路器跳閘，影響其他設備的正常運行。

b、液耦長時間工作時液體溫度升高，熔化金合塞，造成漏液，增大維護工作量，有些無法維修只能廢棄。

c、皮帶機的加載時間較短，引起皮帶張力變化，皮帶損傷嚴重，現(xiàn)場亦出現(xiàn)過皮帶扯斷現(xiàn)象，工人隔三差五就要進行皮帶維修維護，工作量大（見圖15）。 d、現(xiàn)場皮帶機是長距離大運量，單面長度1080m，滿載運量465噸/小時，采用液耦驅動很難解決三臺電機驅動時的功率平衡問題。 針對原系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的諸多問題，礦方經(jīng)多方考察，最終選定選用榮信股份生產(chǎn)的高壓變頻器對原皮帶機系統(tǒng)進行改造。  變頻改造前用戶要求： a、因此項目屬改造項目，為了確保在改造過程中對生產(chǎn)影響最小，礦方?jīng)Q定三臺液力耦合器暫保留使用，后期逐步拆除。 b、保留原系統(tǒng)工頻運行方式，實現(xiàn)變頻運行故障時，能及時切至原系統(tǒng)運行模式。 三、榮信高壓變頻簡介   1）遼寧榮信電氣傳動技術有責任公司簡介 遼寧榮信電氣傳動技術有責任公司隸屬于榮信電力電子股份有限公司，是國家發(fā)展計劃委員會設專項資金建設的專業(yè)從事節(jié)能、安全大功率電力電子成套裝置研究開發(fā)、系統(tǒng)設計、裝備制造和客戶服務的國家級高新技術企業(yè)。

公司坐落于國家級高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)—遼寧鞍山高新技術開發(fā)區(qū)內(nèi)，占地面積180000m?，建筑面積160000?；擁有現(xiàn)代化的科研大樓、標準廠房、整機設備生產(chǎn)線、66kV高壓變電站、SVC專用高壓全載中心、高壓變頻專用全載試驗中心、VFS專用全載試驗中心等設施。

榮信建立了生產(chǎn)一代、儲備一代、開發(fā)一代、規(guī)劃一代的良性循環(huán)的創(chuàng)新戰(zhàn)略管理機制，具有原始創(chuàng)新能力，已獲得30余項國家專利和10項軟件著作版權，目前已成為安全、節(jié)能大功率電力電子專業(yè)領域市場供應商的領導者，整體實力居國內(nèi)同行業(yè)之首。公司技術先進、應用成熟的高壓產(chǎn)品，已實現(xiàn)替代進口裝置，實現(xiàn)了大型裝備國產(chǎn)化。

公司是從事節(jié)能大功率電力電子成套裝置研究開發(fā)、系統(tǒng)設計、裝備制造和客戶服務的國家級高新技術企業(yè)。具有實質性的發(fā)展，主要產(chǎn)品為高壓變頻器、直流輸電設備、特種電源設備等具有高技術含量的電力電子設備，產(chǎn)品為節(jié)能效果顯著，完全符合國家發(fā)展政策。

振興民族裝備制造業(yè)，成為受社會尊重的有國際競爭力的公司是榮信電氣傳動矢志不渝的追求目標。自強不息，厚德載物是榮信電氣傳動公司的企業(yè)靈魂。公司愿與用戶一道以先進的技術、優(yōu)質的產(chǎn)品，永恒的服務，為潔凈電網(wǎng)、為企業(yè)節(jié)能降耗、安全運行及優(yōu)化控制做出貢獻。

四、榮信高壓變頻器特點 

榮信RHVC系列高壓變頻器是采用目前國際上先進的IGBT功率單元串聯(lián)多電平技術、數(shù)字控制技術、SPWM脈寬調(diào)制技術及超導熱管散熱技術研制而成的系列高壓電機節(jié)能調(diào)速產(chǎn)品。具有高效節(jié)能、高功率因素及高可靠性等特點，結束了傳統(tǒng)方法造成的能源和人力的浪費，延長了電機水泵等設備的使用壽命，方便了機組的保養(yǎng)和維護。產(chǎn)品的整體技術性能居世界同期先進水平。

榮信RHVC系列高壓變頻器不僅適用于風機、水泵、皮帶機等單象限運行負載，還適用于提升機、軋鋼機、造紙機、機車車輛牽引等四象限運行負載。

榮信RHVC系列變頻器采用IGBT變頻功率單元串聯(lián)多重化疊加技術，屬于高－高電壓源型變頻器，高壓直接輸入輸出，無需輸出變壓器，效率高，輸出頻率范圍寬。榮信RHVC系列高壓變頻器主要由功率柜、移項變壓器柜和旁路柜（選配）組成。

榮信RHVC系列變頻器實現(xiàn)了電機的軟起動，起動電流小，而且可以連續(xù)調(diào)速，選擇最佳速度，還可根據(jù)用戶的速度曲線圖完成自動控制，既節(jié)約了能源，又提高了生產(chǎn)效率。

榮信RHVC系列變頻器可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡化控制，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的不同要求，采用光纖通訊技術，使系統(tǒng)抗電磁干擾的性能增強，運行更加安全可靠。

RHVC高壓變頻器是由榮信公司研發(fā)和生產(chǎn)，具有自主知識產(chǎn)權，適合國內(nèi)電網(wǎng)特性，符合國內(nèi)用戶使用習慣的調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)為電壓源型高壓變頻器，具有運行穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、輸出波形好、輸入電流諧波低、功率因數(shù)高、效率高等特點，對電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變小于4%，完全滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，不必采用輸入諧波濾波器，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動、噪音、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，即可驅動普通的異步電機。

2）榮信高壓變頻器主回路。

榮信RHVC系列高壓變頻器的主電路如圖17所示。通過主電路圖，我們可以更加直觀的了解變壓器的副邊繞組與功率單元以及各功率單元之間的電路連接方式：具有相同標號的3組副邊繞組，分別向同一功率柜（同一級）內(nèi)的三個功率單元供電。第一級內(nèi)每個功率單元的一個輸出端連接在一起形成星型連接點，另一個輸出端則與下一級功率單元的輸出端相連，依此方式，將同一相的所有功率單元串聯(lián)在一起，便形成了一個星型連接的三相高壓電源，驅動電動機運行。

HVC高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平PWM拓撲結構。由若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出,高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；精確的故障報警保護；具有電力電子保護和工業(yè)電氣保護功能，保證變頻器和電機在正常運行和故障時的安全可靠。

3）電壓疊加原理。 每個功率模塊分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法，實現(xiàn)多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的，即使在電動機電流出現(xiàn)不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達到理想的諧波抵消效果。當電網(wǎng)電壓為6kV時，變壓器的副邊輸出電壓即功率單元的輸入電壓為690V，每個功率單元的最高輸出電壓也為690V，同一相的五個單元串聯(lián)后，相電壓為690V?5=3450V，由于三相連接成星型，那么線電壓便等于1.732?3450V≈6000V（見圖19），達到電網(wǎng)電壓的水平。

功率單元串聯(lián)后得到的是階梯正弦的PWM波形，如下圖所示。這種波形正弦度好，du/dt小，可減少對電機和電纜的絕緣損壞，無需輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電動機也不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗也大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和傳動部分的機械應力。如圖分別為實測的高壓變頻器輸出電壓波形和電流波形。

 4）高壓變頻器功率單元。

功率單元是組成高壓變頻器的最小單位。高壓變頻器每個功率單元采用模塊化設計，在結構和電氣性能上完全一致，可以通用互換。功率單元的基本拓撲為交—直—交三相整流/單相逆變電路，其主回路如下圖所示。

功率單元主要由整流電路、逆變電路、控制電路、驅動電路、故障檢測電路、通訊電路、指示電路等組成。

功率單元的整流電路將變壓器副邊繞組提供的三相交流電源整流為脈動的直流電源，經(jīng)過大容量的電力電容濾波后，可以得到穩(wěn)定的直流電源。通過對IGBT組成的逆變橋進行正弦調(diào)制的PWM控制，可得到等效正弦的單相交流輸出。

IGBT等功率器件的散熱采用先進高效的散熱技術，大大提高了功率器件的工作安全可靠性。另外，每個功率單元都能顯示自己的工作狀態(tài)和故障信息等。當功率單元發(fā)生故障后將會向控制系統(tǒng)發(fā)出信號，控制系統(tǒng)將會及時的處理。

2．增加旁路柜，確保變頻器故障時，能及時切入原系統(tǒng)，保障生產(chǎn)不受影響。

采用旁路柜與變頻器結合，系統(tǒng)變頻運行時，合旁路柜QS1，QS2刀閘，操作臺切換至變頻運行，皮帶機系統(tǒng)進入變頻運行模式；系統(tǒng)工頻運行時，合旁路柜QS3刀閘，操作臺切換至工頻運行，皮帶機系統(tǒng)進入工頻運行模式。

3．操作及監(jiān)控一體化，應用新集控平臺對老主控系統(tǒng)進行改造。

4.改造后系統(tǒng)結構

五、現(xiàn)場變頻改造情況 此次變頻改造選用榮信股份3臺RHVC4-A06/400-T型高壓變頻器，額定電壓6kV，額定電流38A，額定功率400kW。

我公司RHVC系列變頻器實際應用后，具有以下特點: 1．真正實現(xiàn)了皮帶機系統(tǒng)的軟起動，實現(xiàn)了無級平滑調(diào)速，可在靜態(tài)或動態(tài)任意調(diào)整電動機轉速，運行平穩(wěn)，無轉差沖擊。運用變頻器的軟起動功能，將電機的軟起動和皮帶機的軟起動合二為一，通過電機的慢速起動，帶動皮帶機緩慢起動，將皮帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，使皮帶機在起動過程中形成的張力波極小，幾乎對皮帶不造成損害。

2．實現(xiàn)了皮帶機三臺電機驅動時的功率平衡。變頻器對皮帶機進行驅動時，采用一拖一控制，三臺電機驅動，采用主從控制，實現(xiàn)功率平衡?，F(xiàn)場主井皮帶為3?280KW電機驅動，采用主從控制后，輕載時主從電機電流相差小于3A，滿載時相差2A左右?；緦崿F(xiàn)了皮帶機三電機驅動時的功率平衡。

3）降低皮帶帶強。采用變頻器驅動之后，由于變頻器的起動時間可調(diào)，通常皮帶機起動時間在50s～200s內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場需求設定，皮帶機的起動時間延長，大大降低皮帶引力強度，延長了皮帶壽命。

4）降低設備的維護量。利用變頻器的軟起動功能實現(xiàn)帶式輸送機的軟起動，起動過程中對機械基本無沖擊，也大大減少了皮帶機系統(tǒng)機械部份的檢修量，同時，變頻調(diào)速因實現(xiàn)了皮帶機低速運轉，工人在檢查皮帶及維修皮帶都在機頭位置，低速運行可及時發(fā)現(xiàn)問題，隨時停車進行維修維護，避免在工頻運行時即便看到故障點，緊急停車，皮帶也會因慣性超出維修區(qū)域，造成工作不便。

5）變頻器采用矢量控制，輸出轉矩可控；可低速運行，動態(tài)響應快、轉速精度高；加速度特性好抗負載突變能力強，啟動平滑，轉矩大，諧波含量少，沒有沖擊電流，可實現(xiàn)重載啟動。此功能的實現(xiàn)，解決了現(xiàn)場以前在皮帶滿載停機后，設備難以啟動，造成高壓系統(tǒng)過流，上級斷路器跳閘，現(xiàn)場遇到此問題只能人工卸煤，減少皮帶載煤量，但是往往延誤生產(chǎn)，人員勞動強度大大增加。

六．結束語。 

原系統(tǒng)在實際運行中明顯存在能耗大，效率低，運行可靠性差等特點，進行變頻改造后系統(tǒng)效率明顯提高，有功功率增加，節(jié)電率約在15%左右，設備維護量降低，可靠性提高，用戶評價良好，未出現(xiàn)較大故障及安全事故，保障了煤礦的安全正常生產(chǎn)。 隨著高壓變頻器技術的進一步提高，產(chǎn)品的可靠性及穩(wěn)定性增強，同時響應國家創(chuàng)建節(jié)約型社會的號召，高壓變頻技術將越來越多的應用于煤礦行業(yè)，為企業(yè)節(jié)能增產(chǎn)做出積極貢獻。