高平市姬家山煤礦斜井采用皮帶輸送機上行運煤，皮帶輸送機由一臺三相異步電動機通過液力耦合器及減速器同皮帶輸送機滾筒軸連接，采用手動開關(guān)運行方式。皮帶輸送機起動后電機恒速運行，皮帶的速度不能調(diào)整。

由于皮帶輸送機電機長期工頻運行，不能軟起軟停、加之皮帶輸送機采用液力偶合器實現(xiàn)皮帶軟起動，使得電網(wǎng)電壓的波動劇烈，電機內(nèi)部機械沖擊劇烈、發(fā)熱和磨損大，設(shè)備的維護(hù)和維修工作量大、能耗高、費用大，另外針對皮帶輸送機起動時間短、加載力大而引起的皮帶易斷裂和老化情況，不得不選用強度很高的皮帶，導(dǎo)致成本加大。

為提高皮帶輸送機運行效率、減少設(shè)備的維護(hù)和維修工作量，節(jié)約成本和能源，經(jīng)過市場調(diào)研及對多個改造方案的初期投入費用、維護(hù)費用相比較，決定采用變頻器對皮帶輸送機電動機進(jìn)行改造。

皮帶輸送機變頻改造前現(xiàn)場情況

1現(xiàn)場基本情況

煤礦斜井長360米，提升垂直高度為135米，斜井的坡度為22°，運輸方式為上行運煤。改造前的拖動方式為電動機--液力偶合器 --減速器--皮帶輸送機滾筒軸--皮帶，皮帶輸送機起動后電機工頻恒速運行，手動開關(guān)，皮帶的速度不能調(diào)整。

改造前皮帶輸送機電機及皮帶輸送機技術(shù)參數(shù)：

• 電機型號：Y315S ；額定功率：110 kW ；額定電壓：380V； 額定電流：209A；
• 額定轉(zhuǎn)速:960 rpm；功率因數(shù)：COSφ=0.81 ； 變頻范圍：10-50Hz
• 皮帶機型號：B650；帶速： 1.5m/s ； 帶長：360 m； 帶寬：650mm

2現(xiàn)場皮帶輸送機工作原理及存在問題

皮帶輸送機是通過電機驅(qū)動皮帶輸送機滾筒軸，靠摩擦牽引皮帶運動，而皮帶則通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。由于皮帶是彈性儲能材料，所以在皮帶輸送機停止和運行時皮帶儲存有大量勢能，因此皮帶輸送機起動時應(yīng)該采用軟起動的方法，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降到最小，幾乎不對皮帶造成損害。

現(xiàn)場皮帶輸送機是通過采用液力耦合器來實現(xiàn)皮帶輸送機的軟起動，并且在皮帶輸送機起動時調(diào)整液力耦合器的機械效率為零，使電機空載起動。該方法的缺點是雖然采用了降壓空載起動，但電機的起動電流比較很大，達(dá)到400A以上，這不僅引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動，還造成電機內(nèi)部機械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)象。

3現(xiàn)場皮帶輸送機電動機動態(tài)運行情況

現(xiàn)場皮帶輸送機采用的電動機是三相異步電動機。由于該皮帶輸送機是向上輸煤至地面，因此電機的輸出轉(zhuǎn)矩通過減速器轉(zhuǎn)換后作用在皮帶機驅(qū)動滾筒軸上，并與上層皮帶自重沿傳輸面重力分量作用在皮帶機驅(qū)動輪轂上的力矩合成。

合成的驅(qū)動力矩與驅(qū)動輪轂受到的皮帶摩擦力阻力合力矩相平衡。皮帶輸送機空載運行時，其電機處于正轉(zhuǎn)電動態(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)動輪轂上，并使得驅(qū)動力矩逐漸增大；當(dāng)驅(qū)動力矩超過摩擦阻力力矩后，驅(qū)動輪轂的轉(zhuǎn)速將加速轉(zhuǎn)動，通過機械連接使得電機轉(zhuǎn)子也加速轉(zhuǎn)動，其速度將超過同步轉(zhuǎn)速；電機處于正轉(zhuǎn)再生態(tài)，工作在第二象限。電機運行在第一象限內(nèi)時為電動態(tài)，其定子中的旋轉(zhuǎn)磁場、電機的輸出電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向同向，電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子的驅(qū)動力矩，此時電機從電網(wǎng)吸收的電能大部分由電磁轉(zhuǎn)矩作用到轉(zhuǎn)子上以機械能形式輸出。

當(dāng)電機運行在第二象限內(nèi)時為再生態(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)子的制動阻力力矩。此時電機轉(zhuǎn)子被負(fù)載的合成力矩拖著以低于同步轉(zhuǎn)速的速度轉(zhuǎn)動。

皮帶機變頻改造方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，考慮到皮帶輸送機上行輸煤時其驅(qū)動電機運行在二個象限內(nèi)，所以選用的變頻器是二象限型變頻器。同時根據(jù)皮帶輸送機的工作情況，使選用的變頻器能夠在電機帶載起動、空載起動或停機時能夠輸出直流制動力矩，保證皮帶機平穩(wěn)啟動、停止，減小機械沖擊，最終確定選用由山西電神電器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號為UP10-132的變頻器。該變頻器技術(shù)數(shù)據(jù)如下：

• 額定功率：132 kW ； 額定電壓：380 V ；額定電流：260A；
• 輸出頻率(變頻范圍)0～50 Hz；調(diào)整精度為±1%Hz；
• 保護(hù)功能：具有過載、過流、漏電、斷相欠壓，過載能力為200%，60s；

改造后的拖動方式為變頻器--電動機 --減速器--皮帶輸送機滾筒軸—皮帶。

改造中同時實施了以下工作：

（1）皮帶輸送機變頻改造自動控制系統(tǒng)

皮帶輸送機控制系統(tǒng)采用電氣柜控制或中控室PLC控制。在中控室設(shè)上位監(jiān)控計算機，使用UP10變頻器組態(tài)軟件對皮帶輸送機進(jìn)行實時監(jiān)控，并使用該軟件的歷史數(shù)據(jù)記錄功能記錄歷史數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)。

PLC控制系統(tǒng)完成對變頻器的起、停控制，實現(xiàn)各電機等速起動和同步控制，對電機進(jìn)行過流、過載、短路、斷路檢測和保護(hù)，同時實現(xiàn)對皮帶跑偏檢測、皮帶堆煤等保護(hù)。系統(tǒng)采用RS-485作為串行通信接口。另外還匹配了煤流傳感器，可以根據(jù)煤流大小自動調(diào)節(jié)皮帶帶速。

（2）皮帶輸送機變頻改造的電氣控制

皮帶輸送機變頻改造后，將原有的工頻起動電氣柜保留作為工頻旁路，以防止變頻器出現(xiàn)故障影響生產(chǎn)。如果變頻器發(fā)生故障，則可以利用原有的工頻起動柜應(yīng)急運行，迅速轉(zhuǎn)換到電機直接起動狀態(tài)。也即增加的變頻回路與原工頻回路并聯(lián)，組成雙回路可轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)。

皮帶輸送機變頻調(diào)速系統(tǒng)采用“一拖一”工頻自動旁路方案，如圖1所示（圖中QF為原高壓開關(guān)柜內(nèi)帶綜合繼保的高壓斷路器）。工頻旁路主回路系統(tǒng)由2個隔離開關(guān)QS1-QS2 和3個真空接觸器KM1-KM3組成，KM3與KM2電氣互鎖。

當(dāng)電機變頻運行時， KM1 、KM 2閉合，同時QS1、QS2閉合；當(dāng)電機工頻運行時，KM3閉合，同時KM1、KM2斷開。檢修變頻器時，要求QS1、QS2 斷開，使變頻器系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，保證檢修人員的人身安全。

（3）變頻器驅(qū)動電動機起動

變頻器驅(qū)動電動機的起動情況也可以分為電動態(tài)起動、再生態(tài)起動和空載起動。為了防止起動時因為拖動系統(tǒng)速度不為零而造成電機和變頻器發(fā)生過載情況，變頻器在電機起動前預(yù)先輸出頻率為零赫茲的力矩電流，即變頻器對電機預(yù)先輸出一個直流力矩TL與負(fù)載力矩相平衡，保證拖動系統(tǒng)起動時初速度為零。

這樣變頻器起動后逐漸升高輸出頻率，并保持輸出轉(zhuǎn)矩基本不變（視起動后負(fù)載力矩情況而定），實現(xiàn)電機的帶載起動。當(dāng)變頻器輸出頻率到達(dá)設(shè)定頻率后，電機按該頻率下的特征曲線運行。

（4）皮帶輸送機變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式

皮帶機變頻調(diào)速系統(tǒng)采用本地/遠(yuǎn)程兩種控制方式，即真空接觸器的分合操作可以由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，也可以在現(xiàn)場手動控制操作來完成。

現(xiàn)場控制：現(xiàn)場通過直接操縱工頻旁路主回路系統(tǒng)真空接觸器分合進(jìn)行變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制操作。

遠(yuǎn)程控制：與DCS直接連接，接受DCS系統(tǒng)的控制。通過DCS系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制工頻旁路主回路系統(tǒng)真空接觸器的分合操作。

變頻改造后效益（略）

1節(jié)能效益

2其它效益

• （1）電機實現(xiàn)了軟起、軟停運行且起動平滑，轉(zhuǎn)矩大，沖擊電流減?。?/li>
• （2）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，真正實現(xiàn)了皮帶輸送機軟起動；
• （3）皮帶輸送機調(diào)速范圍廣，起動轉(zhuǎn)矩不變，可實現(xiàn)重載起動且安全可靠；
• （4）電機功率因數(shù)和皮帶輸送機運行效率明顯提高；
• （5）解決了電網(wǎng)電壓的劇烈波動、電機內(nèi)部機械沖擊劇烈、發(fā)熱和磨損等問題和以往液力偶合器維護(hù)工作量大，能耗高問題，延長了電機和皮帶輸送機的使用壽命；
• （6）可根據(jù)負(fù)載變化情況自動調(diào)整輸出頻率和輸出力矩，使得皮帶輸送機的能耗進(jìn)一步降低；
• （7）大大降低對皮帶帶強的要求，減少了皮帶損耗，節(jié)約了皮帶購置成本。

結(jié)論

變頻改造后保證了煤礦正常生產(chǎn)和生產(chǎn)安全可靠性，提高了皮帶輸送機運行效率，減少了皮帶輸送機維護(hù)和維修工作量，降低了皮帶輸送機維護(hù)和維修費用，節(jié)約了能源、增加了煤礦的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)了煤礦對皮帶輸送機變頻改造的預(yù)期目的，增強了煤礦進(jìn)一步技改的信心。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“UP10變頻器在煤礦皮帶輸送機上的應(yīng)用”，作者為程寶平。）