远距离变频技术在煤矿大功率带式输送机驱动中的应用.pdf

2 0 2 0年第0 5期 远距离变频技术在煤矿大功率 带式输送机驱动中的应用 张 磊 霍州煤电集团汾源煤业有限公司, 山西 忻州 0 3 5 1 0 7 摘 要 介绍了汾源有限公司采区下山皮带远距离变频驱动技术方案, 对其装备的大功率远距离驱动的高压变频 器控制原理和调速原理进行了论述; 对其运行效果进行全面分析和综合评估, 结果表明 变频技术在带式 输送机上的应用, 提高了运输效率, 延长了设备的使用寿命, 还提高了综合效益。 关键词 大功率变频; 带式输送机; 调速; 远距离控制; 远距离变频驱动 中图分类号 T P 8 3 D O I 1 0. 1 9 7 6 9/j . z d h y . 2 0 2 0. 0 5. 0 5 2 0 引言 随着煤炭生产能力与技术的不断提高, 长距离、 大 功率、 多点传动的带式输送机在煤矿生产中得到了广泛 的应用。这种带式输送机在启动时会产生巨大的摩擦 力, 而且满载时只能在皮带张紧情况下启动。由于输送 带受自张力、 反张力以及启动张力的影响, 因此, 在以较 小的速度启动带式输送机时, 必须保证启动的稳定性, 并以最大的启动力矩, 使带式输送机具有一定的过载 能力。 由于输送带长距离运输过程中存在皮带断裂、 散煤、 液力耦合器磨损等问题, 这些问题对连续生产以及安全 性都有着一定的影响。因此, 应用变频技术不仅可以实 时调整输送机的供电频率, 还可以实现多机功率平衡, 保 证带式输送机的安全, 对煤矿生产具有重要意义。 1 矿井概况 霍州煤电集团汾源煤业公司为资源整合矿井。设计 生产能力1 2 0万t/年, 设计服务年限3 4. 1年, 开采水平 为1 1 0 0水平, 矿井原煤运输系统为斜井带式输送机提 升, 平均坡度2 0 。2 0 1 8年4月, 汾源煤业公司对原煤运 输系统进行升级。将采区上山运输的两部D T L 8 0/3 0/2 9 0普通胶带输送机 更 换 为 一 部 大 运 量 的D T L 1 2 0/ 1 0 0/27 1 0型强力皮带, 满足矿井的生产能力和安全需 要, 同时投用高压变频驱动装置来控制能源浪费[ 1]。 2 矿井应用远距离变频技术前的突出问题 汾源煤业公司井下采区运输系统改造项目因矿井处 在联合试运转关键时期, 工期紧任务重, 为减少井巷工程 施工, 运输巷道仍然使用原井筒, 但强力皮带的安装存在 难题。 2. 1 运输距离长 采区运输巷道坡度2 0 , 长度1 1 5 0 m, 输送机满载启 动时所需转矩大, 易造成大电流冲击矿井供电电网。 2. 2 安装难度大 巷道断面的拱形断面小, 仅为1 1. 8 m, 大功率设备 体积和质量较大, 造成安装难度大, 摆放驱动设备空间 不足。 2. 3 外部环境 外部环境的温度过高或者煤矿井下湿度大、 粉尘多、 瓦斯易爆炸[ 2]等, 工况条件较差, 对电气设备的防护等级 要求高。 3 远距离变频驱动方案 将驱动变频器布置在距离电机1 7 5 0 m的地面配电 室内, 形成远距离变频驱动, 可一举解决目前存在的难 题, 有利于矿井进行自动化升级改造。 3. 1 重要设备技术参数 ⑴带式输送机的技术参数 型号Y B B P 4 5 0 4 - 4, 电机 功率7 1 0 k W, 额定频率55 0 H z, 额定电压6 k V, 额定 电流8 3. 8 A,效 率9 4. 8,功 率 因 数0. 8 6,转 速 1 4 9 0 r/m i n。 ⑵高压变频器的技术参数 额定容量2 0 0 0 k VA, 输 出电压范围为06 k V, 输出频率范围为07 5 H z, 转矩 阶跃响应 时 间 5 m s, 额 定 负 载 下 的 总 体 效 率 约 为 9 6, 过载倍数为1 1 0, 转矩脉动 2, 冷却方式为 空冷。 3. 2 电气系统布局 高压供电系统、 高压变频器安装在地面配电室内, 隔 爆兼本质安全型控制箱、 本质安全型操作台及低压真空 磁力启动器安装在输送机头部。输送机控制系统与配电 室内的电气控制系统通过P r o f i n e t总线实现通信[ 3], 通信 介质为阻燃防爆型光缆。输送机控制系统通过硬接点方 式与转载带式输送机的控制接口进行连接。控制系统结 构框架图如图1所示。 621 自动化应用 工矿自动化 收稿日期 2 0 2 0 - 0 2 - 1 3 2 0 2 0年第0 5期 图1 控制系统结构框架图 图2 变频器一体化结构框架图 3. 3 变频器结构 3. 3. 1 变频器结构要求 采用一体化设计的变频调速装置, 将隔离变压器与 变频器集成在一起[ 4]。变频器电源输入隔离变压器采用 可靠性高、 免维护的干式变压器, 绝缘等级为H级, 变频 器整体结构框如图2所示。 3. 3. 2 变频器控制系统 根据变频系统的控制概念不同, 远程控制装置可分 为上位机控制系统和远程操作站。 3. 3. 3 系统配置的保护装置 变频器远距离控制电机后对设备保护的灵敏程度和 可靠性要求较高, 必须配置的保护功能有 1 接地故障检测功能。用于变频器、 电缆线的绝缘 监视和运行监控。 2 紧急停车功能。远距离控制期间发生故障可直 接将变频器上级供电电源断开, 保证设备安全运行。 3 电机温度和变频器温度的实时监控功能。通过 设备温度监控, 判断设备运行情况, 并对变频器进行强制 风冷, 保证正常运行。 4 故障复位的权限设置功能。根据故障情况分为 普通和可能影响变频器正常运行的严重故障两类, 严重 故障必须经过管理人员密码确认后方可复位, 并再次上 电运行。 721 工矿自动化 自动化应用 2 0 2 0年第0 5期 3. 3. 4 变频调速原理 双驱动电机的两台变频器采用一机一驱的方式, 即 两台高压变频器分别驱动两台电机。一台变频器为主驱 动控制速度, 另一台变频器为从传动控制转矩, 从而实现 主从控制方式。该变频器采用最新的主从控制方式, 保 证变频器之间的功率平衡和速度同步。主控制器采用 D T C转矩控制器 [5], 检测定子两相电流、 直流母线电压以 及电机转速, 并进行矢量传输, 实现变频器输出波形近似 正弦波控制, 并且限制D V/D T较小, 保证电机与变频器 的最远距离驱动能力。远距离驱动抑制输出谐波采用优 化电流输出电抗器和增加等电位线两项措施。其中 1 增加专用等电位线。从变频器向电机铺设一根 截面为5 0 mm的铜芯线, 实现远距离变频器与电机的电 位均衡, 从而抑制电缆谐波。 2 对输出滤波器进行优化。当脉冲电压通过输电 线路时, 由于波的反射叠加使输电线路超过临界点, 此时 电压是直流母线电压的2倍[ 6], 由于变频器受输出线路 长度的限制, 所以在输出端连接一个大容量的交流电抗 器以达到消除限制的目的, 电抗器的电感量按照如下公 式进行计算 L≈0. 5∝1. 5 1 0 0 UN1 0 - 3 32 π ∫ ILm a x 高压变频器的调速功能主要有下面几点 1 调速范围广, 实现了从0速到工频的平滑调速, 可以结合实际情况, 实现大电机小电流, 调整了大电机的 启动方式和时间, 满足了实际生产需要。 通过调节低频电压频率的比值系数, 实现电压频率 的输出, 由于电机在低速时会发热以及输入电压较低, 直 接降低了绝缘老化的速度。 2 与其他大功率调速装置对比, 高压变频器的效率 通常在9 0左右。 3 由于电机没有谐波污染, 降低了电机发热程度, 做到了有效节能。另外, 由于机电设备转矩脉动小不会 产生共振, 从而减轻了电机驱动磨损, 输出波形失真小于 1, 并且电机的连接不受电缆长度的限制。 4 运行特点 强力皮带远距离变频控制是一种新型的高压电机控 制方式。该种控制方式驱动距离达到2 1 0 0 m, 即驱动电 机、 操作台与变频启动器的距离均为2 1 0 0 m, 并可以根 据负载的情况实现动态调速。控制柜与变频柜使用光纤 进行通信、 控制, 整个系统运行速度快, 可靠性高。 5 效果分析 1 运行环境温、 湿度易控, 为新型设备提供了优良 的运行环境, 延长了设备运行寿命。 2 不需考虑设备防爆, 降低了防护要求, 节约设备 成本, 同时规避了井下特殊环境使用的安全风险。 3 高压变频控制, 减轻了设备开停对电网的冲击, 提高了矿井供电的可靠性。 4 远距离控制配合工业摄像头, 方便地实现了无人 值守, 且变频器安装在地面便于人员操作和设备检修。 5 在经济效益上, 远距离变频控制可以适应复杂的 现场环境, 特别是井下作业环境, 相较防爆设备它省去了 笨重的防爆外壳, 相较C S T系统它省去了复杂的液压系 统, 且变频启动绿色环保, 在安装方式上节约资金约5 0 万元, 在长远使用过程中每年可节约电费约1 0万元。 6 结语 远距离变频技术的实现代表了煤矿大型带式输送机 的发展趋势, 体现了现代新型矿井自动化、 绿色环保、 安 全高效的科学理念, 对带式输送机稳定运行以及煤矿生 产有重要意义。因此, 煤矿管理者要充分重视, 积极组织 技术骨干在日常管理中开展专题研究, 分析带式输送机 在生产中存在的问题, 总结出有效的设备改进措施, 在保 证运行和效率提高的同时降低故障率, 延长设备使用寿 命, 从而为煤矿运行提供保障。 参考文献 [ 1] 蒋卫良, 杨生华, 芮丰.高压变频器在煤矿带式输送机上 的应用[ J].煤炭工程,2 0 1 8,5 01 1 6 7 - 7 0. [ 2] 黄浙丰, 豆文举, 陈菁.高压变频器在低浓度瓦斯远距离 输送中的应用[ J].能源与节能,2 0 1 81 2 4 6 - 4 7,6 1. [ 3] 朱重阳. P L C、 触摸屏、 变频器之间的通信及其应用[J].机 电工程技术, 2 0 1 8,4 74 1 0 5 - 1 0 7. [ 4] 郑礼中, 衡润来, 苏永琢. A B B A C S 6 0 0多传动变频器电 源系统稳压供电实现[ J].仪表技术,2 0 1 88 5 0 - 5 3. [ 5] 沈天珉, 杜川, 廖家祥, 等.转矩脉动最小化的直接转矩控 制系统[ J].电气技术,2 0 0 87. [ 6] 娄光赫.变频器中电抗器的选择与设计[J].中国科技博 览, 2 0 1 53 2 - 4. 821 自动化应用 工矿自动化