摘要：介绍山西泰山隆安煤矿主井皮带机采用自动控制平台实现高压变频调速技术的理论依据及其调速系统的设计，提出高压变频调速在皮带机应用的技术优点，以及实际运行效果。
关键词：高压变频器 皮带机 煤矿
一、前言
山西煤炭运销集团泰山隆安煤业有限公司设计为年产120万吨兼并重组整合矿井，井田位于山西忻州保德县城东南部、桥头镇北部。矿区面积为20.3196平方公里，矿井生产能力120万t /a，采煤方法为综采一次采全高，全部垮落法管理顶板；矿井采用中央分列式通风系统，主斜井、副斜井进风，回风斜井回风；矿井通风方式为机械抽出式，最终产品为精煤、煤泥和矸石。
泰山隆安煤矿主斜井兼顾运煤和进风作用，净断面为12.17平方米，主井皮带设计长度为380米，带宽为1米，倾斜角为-15度。皮带由两台高压电机拖动，实现煤矿运输到地面的工作任务。皮带机配合自动控制系统及信号系统，实现主井皮带运输系统的高效、稳定、安全运行。
二、皮带机采用高压变频调速技术的理论依据
1.1 皮带机简介
皮带机是皮带输送机的简称，皮带机运用输送带的连续或间歇运动来输送各种轻重不同的物品，既可输送各种散料，也可输送各种纸箱、包装袋等单件重量不大的件货，用途广泛。皮带输送机可以将物料在一定的输送线上，从最初的供料点到最终的卸料点间形成一种物料的输送流程。在工业生产中，皮带输送机可用作生产机械设备之间构成连续生产的纽带，以实现生产环节的连续性和自动化，提高生产率和减轻劳动强度，具有输送量大、结构简单、维修方便、部件标准化等优点。所以带式输送机广泛应用于现代化的各种工业企业中。
矿山的井下巷道、矿井地面运输系统、露天采矿场及选矿厂中，都广泛应用带式输送机。皮带机设备特点：皮带机输送平稳，物料与输送带没有相对运动，能够避免对输送物的损坏。噪音较小，适合于工作环境要求比较安静的场合。结构简单，便于维护。能耗较小，使用成本低。
1.2 皮带机工作原理及变频电机控制
带式输送机由输送带、托辊、滚筒及驱动、制动、张紧、电控、保护、改向、装载、卸载、清扫等装置组成。其主要部分有：输送带、托辊、滚筒、主电机、减速器、逆止器、抱闸系统、张紧装置、导向轮、电控台、皮带保护。
皮带机工作原理图如下：
图1.2带式输送机实图
皮带输送机的主要参数：一般根据物料搬运系统的要求、物料装卸地点的各种条件、有关的生产工艺过程和物料的特性等来确定各主要参数。
皮带机的动力来源于电机转动，两台高压异步电机通过减速机拖动滚筒转动，皮带紧密缠绕滚筒，皮带与其之间摩擦力保证皮带前进以输送物品。大部分煤矿主井皮带机使用两台高压电机拖动皮带运行，两台电机型号与参数一致，协调运行以保证正常生产，同时两台电机也可以单独运行。在设备出现一台故障的时候或者生产任务少的时候，单台运行也可以保证生产的继续。
煤矿主井皮带机控制系统包括：显示系统、人机操作系统、安全保护系统、信号处理系统。显示系统可以保障现场技术人员清楚地了解皮带系统各个机构的运行情况及监视运行设备和保护设备的实时数据；人机操作系统，可以方便技术人员安全、正确的操作皮带系统的各个执行机构，以完成安全输送煤炭的任务；安全保护系统可以监测皮带系统各个部分的运行状态，检测各种保护数据，完成皮带系统的保护工作，保证皮带及人员的安全、稳定、正确运行，主要包括温度保护、烟雾保护、（超温）自动洒水装置（保护）、防滑保护、堆煤保护、防跑偏装置（保护）等；信号处理系统可以保证显示系统、人机操作系统、安全保护系统协调工作，完成系统之间的通讯、连接工作。现场使用控制系统见下图：图1.3。
图1.3皮带机控制系统
控制系统通过信号采集装置或者通讯装置，将现场采集的各种信号（数字量信号和模拟量信号），输入到控制系统的PLC和安全保护装置，进行综合采集和计算。控制系统可以监视和控制与皮带系统相关的所有机械及电气机构（包括高压变频器），实现皮带运输系统的自动化控制。
控制系统、接收各种信号并进行分析，如果符合紧急停机要求，控制系统会在很短的时间进行安全保护动作，自动保障现场人员及设备的安全；完成现场皮带运输设备数据时刻显示和记录，并可以传输到上级管理部门，实现工厂自动化生产的需要。
现场工作人员通过操作台工作指示灯和屏幕显示，可以很好的监控皮带运输系统的各个机构，在短时间内精确了解设备的工作情况；可以方便的进行皮带运输系统的启动、停止、操控等操作。
电机作为皮带系统的动力来源，是皮带运输过程中的关键设备，电机需要有良好的运动性能，包括：良好的启动停止；平稳的运行；持久的工作寿命；简单方便的日常维护等。传统电动机的调速一般有两种方式，变极调速和转子串电阻调速。变极调速是有级调速，调速范围窄，启动力距小，启动电流大。转子串电阻调速性能虽有所改变，但电阻要消耗大量电能，效率低，能耗高。新兴的变频调速系统除了拥有高的调速性能之外，还具有高的效率和节能效果。转子串电阻调速特点：有较高的起动转矩、低速时的特性非常软。换挡时对机械的冲击大、无法精确定位。无法提供反力矩、效率低、能耗大。变频调速方式：控制变频器输出频率调速特点：有高的起动转矩、输出特性好。无级调速、能精确定位。能提供反力矩、效率高，能耗低。现场使用电机如下图：图1.4
图1.4皮带机电机驱动系统
三、高压变频调速系统的装置设计
3.1 高压变频器系统原理
根据生产工艺的要求，高压电机的负载设备在生产过程中必须进行调速。调速方式有中间环节调速和高压电机本身调速之分。按照电机学的基本原理，已知交流异步电动机的转速表达式为：n=(1-s)60f/p式中：s-滑差；p-电机极对数；f -电机供电频率。由上述公式可以看出，只要改变滑差s、或者电机极对数p、或者电机运行频率f，都可以达到调整电机本身速度的目的。
HARSVERT-VA系列高压变频调速系统采用功率单元串联多电平技术，属高－高电压源型变频器。变频器主要由移相变压器、功率模块和控制器三部分组成。一般现场应用还辅以旁路柜、开关柜等。变频器输入侧采用多重化移相变压器实现隔离和谐波抵消。无须功率因数补偿、谐波抑制装置，多脉冲整流技术的应用使得变频器电网侧谐波可满足IEEE519-1992标准和GB/T14549-93标准。变频器输出采用多个功率单元移相式PWM波形输出串联叠加，得到多电平高压，实现较低的输出电压谐波、共模电压和dv/dt。无须附加输出滤波装置，不会对电机的绝缘、轴承造成损害，可直接驱动普通鼠笼式、绕线式异步电机和同步电机。
图2.1. 10kV变频器系统结构图
图2.1是变频器系统结构示意图。其中，DSP控制器、新型一体化计算机和PLC一起构成变频器的控制和信号处理系统。此三者相互分工和协调，使变频调速系统获得最佳控制性能。
变频器主要由移相变压器、功率单元和控制器组成。
3.2 北京利德华福高压变频调速系统优点
由于采用了高性能DSP芯片和新型一体化计算机，在秉承HARSVERT-A系列产品完美无谐波、高可靠性、功率/电压等级覆盖范围广、控制接口灵活等优良品质的基础上，HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制高压变频调速产品能够实现功能更为丰富、性能更高的高压大容量交流传动控制。目前，HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制产品的性能指标为：调速范围100:1，稳态转速精度0.5%，动态转矩响应时间小于200ms，启动转矩150%额定转矩，基本达到国际先进水平。
图2.2 北京利德华福高压变频器
目前，HARSVERT-VA系列高压变频调速系统具有以下功能：
（1） 恒压频比控制
（2） 无速度传感器矢量控制
（3） 速度闭环矢量控制
（4） 电机参数自动整定
（5） 高压掉电恢复自动重启
（6） 旋转启动
3.3 皮带机变频系统设计
图2.3皮带机双电机系统
图2.3为山西泰山隆安煤矿现运行的系统结构图，皮带机由两台电机拖动，由于目前煤层开采深度小，皮带长度没有达到设计最大。
皮带机多机变频调速系统的核心问题是皮带系统中各电机的转速和转矩平衡问题。在实际应用中，根据现场工艺不同，可以选择不同的变频控制方案。1.“一拖二”方案：此方案是采用一台变频器同时拖动两台电机运行，将各个电机定子绕组直接并联在一台变频器输出侧。“一拖二”方案中，变频器无法对电机的转矩进行独立的控制，因此各电机的出力由电机的参数和皮带参数决定；其中，影响电机功率平衡的主要因素是电机的参数差异和拖动滚筒及皮带的包络角差异；正常情况下，包络角的大小只存在设计上及加工上的差异，但是当系统正常运行后，由于提升的货物是潮湿的，皮带在卸货物后，上面仍残留一些煤渣，这时候转到拖到滚筒上，就会使拖动滚筒直径变大；误差越大，系统中电机的功率差异就会越大。采用“一拖二”方案有以下三个弊端；一是变频器不能有效的分配两台电机的功率；二是需要用户经常清理拖动滚筒的煤渣及杂物；三是变频器不能有效的保护每一台电机。2.“双机联动”方案此方案采用两台变频器分别拖动两台电机，将各个电机定子绕组直接分别接在两台变频器输出侧。双机联动同步运行变频系统是由完全独立的两台变频器通过主、从机的同步通讯方式保证双电机的转速、以及功率平衡的。两台电机中任意一台都可作为主机，另一台为从机。双机拖动方案中，变频器对电机的转矩都能独立控制，主从变频器通讯采用光纤通讯，抗干扰能力强，通讯速率快，用户可不必清理拖动滚筒的煤渣及杂物，变频器主从之间可以自动来调整变频器输出转速及功率一致。
主机采用转速控制方式，从机采用跟随主机转矩和跟随主机转速的控制方式。两台高压变频器分别独立拖动两台高压电机，两台变频器之间有通讯电缆，实现两台电机的协调控制，变频器主回路电路图如下图2.4.
图2.4变频系统主回路示意图
四、皮带机采用变频调速的使用效果
与传统的调速方式相比，高压变频器对交流电动机进行交流控制有许多优势，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。
主井皮带机是全矿的流程中枢，一旦皮带机不能正常工作，将造成全矿停产，且会造成巨大经济损失。经实际运行发现，使用高压变频器的皮带机有以下优点：
（1）高压变频器具有高可靠性、稳定性、防护性；
（2）高压变频器能够对2台电机的同轴同步软启动，软停止功能。起动、停止能按所设定的皮带特性曲线运行。在运行过程中能够自动地实现转差调节和功率平衡调节；
（3） 变频器的输出力矩不小于电动机额定力矩，可使电机能输出超过额定起动输出转矩。满足负载变化大的承受能力和煤炭压带时的再起动的能力；
（4）满足煤矿电控系统的功能接口和监控要求；
（5）皮带运输机在煤量不大和在安装皮带的情况下要求降速运行，不需要满负荷运行。利用高压变频器根据实际情况对电机进行调速，既符合工艺要求，又达到节能降耗目的；
（6）变频器启动过程平稳，无冲击，体积小，好搬运；
（7）调速系统分开，单台电机单独控制；
（8）电机满载时，变频调速系统效率≧96％；
（9）变频器输入侧功率因数≧95％（大于20%负载时）；
（10）变频器输入谐波小于4%；
（11）变频器自保护功能：过电流限制，过电压限制，过负荷预警，过电流跳闸，功率单元故障跳闸，过负荷跳闸，接地故障跳闸，过热跳闸等；
（12）变频器数据显示：输出频率，电机转速，输入输出电流，输入输出电压，电机输出功率，运行时间，故障查询，变频器温度等；
（13）电机在启动和调节过程中，转速平稳变化，电流没有任何冲击，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低了日常的维护保养费用。
五、结束语
北京利德华福高压变频调速技术在泰山隆安皮带机的实践应用表明电机在配备高压变频器后大大降低了日常的维护保养费用
