1、問題的提出
近年來，隨著電力電子技術、計算機技術和電力電子半導體器件的進步和發(fā)展，變頻調(diào)速技術得到了很大發(fā)展，變頻調(diào)速以其調(diào)速精度高、響應速度快、保護功能完善、過載能力強、節(jié)能顯著、使用和維護方便等優(yōu)點已廣泛應用于煤礦井下運輸領域。目前，鄭煤集團公司大平煤礦21鋼絲繩芯膠帶電機功率為250KWX2屬于大功率負荷，主要承擔著21采掘工作面原煤運輸任務。由于煤礦用大功率鋼絲繩芯膠帶輸送機一般都采用工頻拖動，液力耦合器（粘性軟啟動）傳動，一方面存在傳動效率低、啟動電流大、機械沖擊大、功率無法平衡等問題，造成了系統(tǒng)運行不經(jīng)濟。另一方面膠帶和液力耦合器（粘性軟啟動）磨損嚴重，維修及維護成本高。三是存在無功環(huán)流損耗。
2、技術方案論證與確定
鑒于以上原因，新型變頻器在大傾角膠帶輸送機的應用勢在必行。在鄭煤集團公司的支持下，確定采用BPBT型礦用防爆變頻器，首先在大平煤礦21大傾角開始使用，對大傾角膠帶輸送機采用變頻控制，不但有利于降低企業(yè)生產(chǎn)成本，減輕職J：檢修勞動強度，提高企業(yè)經(jīng)濟效益，還符合國家建設節(jié)約型社會的主題，具有非�，F(xiàn)實的經(jīng)濟意義和社會意義。
3、關鍵技術及創(chuàng)新點
(1)安裝、維護方便，減少人員投入；減少了啟動開關、粘性軟啟動裝置等設備，降低運行、維護費用，減少故障點。
(2)在原基礎框架基礎上，設計加工所需電機底座及連接裝置等，運行平穩(wěn)。
(3)通過對電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)變頻控制，能實現(xiàn)設備運轉(zhuǎn)速度由低速到高速變化，降低最大啟動電流對電網(wǎng)沖擊。具有節(jié)約電能、調(diào)速性能好、可靠性高、生產(chǎn)效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點。
(4)速度設定能實現(xiàn)“雙檔四速”，自動實現(xiàn)低速重載起動、重載停車、人工調(diào)速，保證皮帶機起動與運行過程中各臺電動機功率平衡及速度同步。
(5)在膠帶服務掘進工作面或運輸任務量較小情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)低速運行，滿足生產(chǎn)需要的同時，最大限度節(jié)約電能，并能根據(jù)現(xiàn)場檢查需要，方便接頭測試。
(6)配套電控系統(tǒng)具有故障智能對位顯示及語音報警功能，可使維修人員迅速判斷故障點，減輕職工勞動強度。
(7)皮帶機保護功能齊全，保證大功率強力膠帶安全運行。
4、變頻器改造方案及實施
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適應物料：顆粒狀、粉狀
設備類型：輸送機
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適應物料：顆粒狀物料
設備類型：輸送機
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適應物料：顆粒狀物料
設備類型：打包機
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適應物料：顆粒狀
設備類型：輸送機
4.1機械部分
對驅(qū)動裝置配置方式進行改造，將粘性軟啟動裝置、液壓泵站及所屬附件拆除，對原基礎底座進行改造，直接將電動機與減速器高速軸相聯(lián)接。即“電動機+聯(lián)軸器+粘性軟起動裝置+減速器+主滾筒”配置方式改為“電動機+聯(lián)軸器+減速器+主滾筒”。
4.2電控部分
拆除原電控部分、控制開關及操作控制臺；來自11變電所18#饋電引1140V電源接整流箱一次：整流箱二次直流電源連接逆變箱一次；二次變換交流電源接電抗器一次側，二次側并接1#、2#電機，即一拖二變頻調(diào)速控制，來自11變電所9#饋電引660V電源接電控箱及變頻器風機。
5、變頻器工作原理
變頻調(diào)速技術的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關系：n=60 f（1-5）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù)）：通過將頻率固定的三相交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源，達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。大平煤礦所選低壓變頻器主要采用交一直一交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。同時通過濾波電抗器，濾波、防止電流突變以及分頻、阻低頻變高頻，通過變頻器可以自由調(diào)節(jié)電機的速度。防爆變頻系統(tǒng)原理圖如圖5所示。
6、工作過程
主控臺送上電源后，顯示器上有相應的狀態(tài)顯示，且安全條件具備燈亮，按下安全回路啟動按鈕，安全繼電器燈亮，但此時裝置不能運行，處于待機狀態(tài)。再按下“運行”按鈕，顯示器上的“變頻”指示燈亮，推桿制動器打開，此時電機建立初始力矩，根據(jù)變頻預設的上升速度由低速向預定速度運行。速度操控方面，設置“雙檔四速”即：0. 5m/s、1m/s、1.5m/s、2m/s。
7、維護變頻器應注意的事項
(1)變頻器檢修維護時，應在斷開電源10分鐘后進行維護操作，因為有大量的電容泄露電流，一定要經(jīng)過停電、檢測瓦斯?jié)舛�、驗電、放電、搭接臨時地線步驟方可進行操作。
(2)進行電機或電機電纜校驗前務必把電機電纜從變頻器上拆下。
(3)吊掛電纜時，電機電纜和其他電纜應保持距離。避免電機連接電纜與其它信號電纜平行走線。電力電纜與其它信號電纜應以90度交叉穿越。
(4)每4天對電機相間、對地絕緣遙測一次，局部接地要每月遙測一次并做記錄，防止峰值電壓過高對電機絕緣值的破壞，測量每相電機繞組的絕緣電阻。測量電壓不小于電源電壓，但不得超過1000V，絕緣電阻必須1MQ以上。發(fā)現(xiàn)絕緣值下降至1M Q以下及時匯報處置。變頻器與電機的接地電阻盡可能小，國家標準為小于4Q。
(5)每天要全面檢查周圍環(huán)境、整體裝置震動、溫度以及電源電壓變動和下降等情況。
8、改造后的效果
21大傾角膠帶機采用BPBT-500/1.2礦用隔爆型變頻調(diào)速器驅(qū)動后可以達到如下應用效果。
8.1安全保護方面，實現(xiàn)故障智能對位顯示及語音報警功能
變頻器本身具備過壓、過流、欠壓、短路、過載、過熱、缺相等保護功能。同時可與皮帶機綜合保護裝置如煙霧、溫度、打滑、跑偏、煤位、縱向撕裂、急停等對接，并完成各項安全保護性能。與之配套皮帶機電控系統(tǒng)具有故障智能對位顯示及語音報警功能，可幫助維護人員迅速找到故障原因，排除故障，減輕職工勞動強度。
8.2節(jié)電效益明顯
目前，單從實際運行參數(shù)中可粗略計算出變頻器改造后節(jié)能效益如下：
21大傾角膠帶機額定功率2×250KW，額定電壓1140V，改造前實際運行電流110A，電壓1. 2KV，皮帶每天平均運行18h，按每月用電量統(tǒng)計計算，改造前平均每月用電月7萬度。使用變頻器后，實際運行電流50A，電壓1.2KV，月均用電不足3萬度。按平段電價0.694元／度電計算，皮帶滿負荷工作18h，年節(jié)約電=360天／年×每天運行小時×額定功率×元／度電，年節(jié)電費=360×18×1.2×(110-50)×0.694=32萬元。
另外變頻器改造后還可從提高系統(tǒng)功率因數(shù)、提高系統(tǒng)效率、減少壓降損失等方面節(jié)省電能，實際節(jié)能效益遠遠大于理論計算數(shù)值。
(1)提高系統(tǒng)功率因數(shù)
由于電網(wǎng)中的電氣設備如電動機，變壓器等屬于既有電感又有電阻的電感性負載。電感性負載的電壓和電流的相量間存在著一個相位差，相位角的余弦coSQ既是功率因數(shù)，它是有功功率與視在功率之比即cosa=P/S。采用變頻器驅(qū)動后，在整個過程中功率因數(shù)達0.9以上，大大節(jié)省了電能。
(2)提高系統(tǒng)效率
采用變頻器驅(qū)動之后，電動機與減速器之間是直接剛性連接，中間減少了粘性軟起動裝置這個環(huán)節(jié)。而粘性軟起動裝置傳動效率是不高的，是通過液體來傳動，由于液體的傳動效率比直接硬聯(lián)接的傳動效率要低許多。因而采用變頻器后，系統(tǒng)總的效率要比粘性軟起動裝置驅(qū)動效率高8%-12%。
(3)減少壓降損失
由于供電距離較長，受電網(wǎng)供電負荷的影響，不同時段的電壓波動較大，利用變頻器的自動穩(wěn)壓功能，能及時彌補電壓降的損失，保證設備在額定電壓下運行，從而也保證設備的安全運行。
8.3節(jié)省人工費用和維修成本
使用粘性軟起動裝置調(diào)速時設備數(shù)量多，檢修困難，工人勞動強度較大，每月需要90個工時對其進行檢修和維護；采用變頻后，因為設備數(shù)量少，易于檢修，工人勞動強度小，每月只需60個工時就能滿足其檢修和維護的需要。按90元／每工計算，年節(jié)省人工費用=年節(jié)省工時×90=(90-60)×12×90=32400元。使用粘性軟起動裝置（包括電控）每月檢修每次投入接觸器、電動機保護、齒輪油、濾芯等費用近2000元：采用變頻器后，月檢修費用不足100元；年節(jié)省檢修費用2萬多元。
8.4實現(xiàn)膠帶輸送機系統(tǒng)軟啟動及電動機驅(qū)動時功率平衡
應用變頻器驅(qū)動后，實現(xiàn)了膠帶輸送機的軟啟動，將電動機的軟啟動和膠帶輸送機的軟啟動合二為一，減少了在用設備。通過電動機的慢速啟動，帶動膠帶輸送機緩慢啟動，使膠帶輸送機在啟動過程中張力波極小，對膠帶造成損害小，可以延長膠帶帶體及接頭使用壽命，無形中增加了膠帶服務年限，降低了運營成本。而工頻啟動時，最初啟動電流很大，為電機額定電流的2～3倍(1140V)，對電網(wǎng)沖擊很大。由于是雙機驅(qū)動，采用主從控制，能實現(xiàn)電動機驅(qū)動時功率平衡。
8.5實現(xiàn)低速重載起動、重載停車、入工調(diào)速
使用變頻驅(qū)動后，‘能夠自動實現(xiàn)低速重載起動、重載停車、人工調(diào)速，保證皮帶機起動與運行過程中各臺電動機功率平衡及速度同步。同時，在膠帶服務掘進工作面或運輸任務量較小情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)“雙檔四速”中低速運行，滿足生產(chǎn)需要的同時，方便職工對接頭測試，極大減輕職工檢查檢修勞動強度，避免了頻繁啟動對電機、機械設備損壞。
9、結論
大平煤礦21大傾角鋼絲繩芯膠帶機在變頻調(diào)速改造后，經(jīng)過近4個月的實際運行，其節(jié)電率在30%-60%左右，且控制質(zhì)量大大提高，實現(xiàn)了軟停和軟啟，低速重載起動、重載停車、消除了電動機在硬啟過程中對電網(wǎng)的沖擊。另外改造后的系統(tǒng)操作簡便，省時省力，降低維護成本，大大提高了鋼絲繩芯膠帶機安全性能，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。
