荣信 崔家沟煤矿皮带机上的应用

• 关键词：高压变频器
• 摘要：采用高压变频器拖动带式输送机，是矿井提高皮带寿命、安全可靠性的重要手段。本文通过对液力耦合器与变频器在皮带机应用的比较、变频调速系统结构的分析，结合山西天地王坡煤业有限公司的皮带改造现场，介绍皮带机系统变频改造相关技术，以及高压变频器在皮带机系统上的应用情况。

一、引言：

皮带机在煤矿的使用非常普遍。国内现有大多数煤矿的皮带输送机电机一般都采用软启动装置为液力耦合器或CST的(集变速箱，耦合器，电液控制为一体)来实现软起动。这些设备虽然能部分解决皮带机的软启动问题，运行还是工频拖动，较少使用变频器驱动。由于电机长期工频运行加之液力耦合器效率等题目，造成皮带运输机运行起来非常不经济；虽然这些设施可以实现一定软起软停，跟变频相比还会有较大机械上剧烈冲击，加速机械的磨损；还有皮带、液力耦合器的磨损和维护等题目都会给企业带来很大数额的用度题目。

随着高压变频技术的不断进步和完善，已经逐步取代传统调速设备的位置。这对于现在创建节能型社会是不相符合的，对煤矿企业的皮带输送机进行变频改造对节约社会能源、增加煤矿企业的经济效益都具有非常现实的经济意义和社会意义。

二、用户简介 
崔家沟煤矿位于陕西铜川市西北40公里的杏树坪地区。50—60年代矿部设在崔家沟，70年代后迁杏树坪，故称崔家沟煤矿。矿井铁路专用线，引自梅七线安子沟车站，全长2．4公里。煤矿由崔家沟平硐、崔家沟、桃花洞、松山和杏树坪斜井组成，设计年生产能力200万吨。

崔家沟煤矿主斜井为三机双滚筒皮带机运煤方式，单台电机功率6kv、280kw，皮带机由三台电机拖动，电机配置在机头，两台电机同轴安装。 

主输送带单面带长1080m，带宽1m，输送能力465吨/小时，三台拖动电机同为280KW高压电动机带载。

现场采用双滚筒带载，1#电机与2#电机同轴安装带动1#滚筒，3#电机驱动2#滚筒。
滚筒驱动形式为：高压电机带动安装于电机轴端的液力耦合器，当电机轴达到一定转速，液耦一侧与皮带减速机连接，带动减速机驱动滚筒旋转。

高压电机参数：
型号YJS400-6；频率50HZ；功率280kW；电压6000V；电流32.98A；额定转速990r/m.
1．原电气系统构成： 系统原理图

原现场电控部分外部6KV高压进线引致高压配电柜（见图9），高压经总进线柜分配至三个控制柜（见图12），由三个控制柜分别控制三台电机。高压控制柜由刀闸（见图10）、高压熔断器，高压接触器（见图11）组成。三台电机高压接触器受原主控系统（见图13）依1#-3#-2#方式启动，启动间隔2-3s。

2．原系统运行中存在问题：


a、工频启动，初始电流很大，为电动机额定电流的4～7倍。启动瞬间电流会在启动过程中产生冲击，引起电动机内部机械应力和热应力发生变化，对机械部分造成严重磨损甚至损坏。同时引起电网电压的下降，造成现场启动皮带机时电网波动很大，数次出现上级高压断路器跳闸，影响其他设备的正常运行。

b、液耦长时间工作时液体温度升高，熔化金合塞，造成漏液，增大维护工作量，有些无法维修只能废弃。

c、皮带机的加载时间较短，引起皮带张力变化，皮带损伤严重，现场亦出现过皮带扯断现象，工人隔三差五就要进行皮带维修维护，工作量大（见图15）。
d、现场皮带机是长距离大运量，单面长度1080m，满载运量465吨/小时，采用液耦驱动很难解决三台电机驱动时的功率平衡问题。
针对原系统运行过程中出现的诸多问题，矿方经多方考察，最终选定选用荣信股份生产的高压变频器对原皮带机系统进行改造。 

变频改造前用户要求：
a、因此项目属改造项目，为了确保在改造过程中对生产影响最小，矿方决定三台液力耦合器暂保留使用，后期逐步拆除。
b、保留原系统工频运行方式，实现变频运行故障时，能及时切至原系统运行模式。

三、荣信高压变频简介  
1）辽宁荣信电气传动技术有责任公司简介
辽宁荣信电气传动技术有责任公司隶属于荣信电力电子股份有限公司，是国家发展计划委员会设专项资金建设的专业从事节能、安全大功率电力电子成套装置研究开发、系统设计、装备制造和客户服务的国家级高新技术企业。

公司坐落于国家级高新技术产业开发区—辽宁鞍山高新技术开发区内，占地面积180000m�，建筑面积160000�；拥有现代化的科研大楼、标准厂房、整机设备生产线、66kV高压变电站、SVC专用高压全载中心、高压变频专用全载试验中心、VFS专用全载试验中心等设施。

荣信建立了生产一代、储备一代、开发一代、规划一代的良性循环的创新战略管理机制，具有原始创新能力，已获得30余项国家专利和10项软件著作版权，目前已成为安全、节能大功率电力电子专业领域市场供应商的领导者，整体实力居国内同行业之首。公司技术先进、应用成熟的高压产品，已实现替代进口装置，实现了大型装备国产化。

公司是从事节能大功率电力电子成套装置研究开发、系统设计、装备制造和客户服务的国家级高新技术企业。具有实质性的发展，主要产品为高压变频器、直流输电设备、特种电源设备等具有高技术含量的电力电子设备，产品为节能效果显著，完全符合国家发展政策。

振兴民族装备制造业，成为受社会尊重的有国际竞争力的公司是荣信电气传动矢志不渝的追求目标。自强不息，厚德载物是荣信电气传动公司的企业灵魂。公司愿与用户一道以先进的技术、优质的产品，永恒的服务，为洁净电网、为企业节能降耗、安全运行及优化控制做出贡献。

四、荣信高压变频器特点 

荣信RHVC系列高压变频器是采用目前国际上先进的IGBT功率单元串联多电平技术、数字控制技术、SPWM脉宽调制技术及超导热管散热技术研制而成的系列高压电机节能调速产品。具有高效节能、高功率因素及高可靠性等特点，结束了传统方法造成的能源和人力的浪费，延长了电机水泵等设备的使用寿命，方便了机组的保养和维护。产品的整体技术性能居世界同期先进水平。

荣信RHVC系列高压变频器不仅适用于风机、水泵、皮带机等单象限运行负载，还适用于提升机、轧钢机、造纸机、机车车辆牵引等四象限运行负载。

荣信RHVC系列变频器采用IGBT变频功率单元串联多重化叠加技术，属于高－高电压源型变频器，高压直接输入输出，无需输出变压器，效率高，输出频率范围宽。荣信RHVC系列高压变频器主要由功率柜、移项变压器柜和旁路柜（选配）组成。

荣信RHVC系列变频器实现了电机的软起动，起动电流小，而且可以连续调速，选择最佳速度，还可根据用户的速度曲线图完成自动控制，既节约了能源，又提高了生产效率。

荣信RHVC系列变频器可以实现远程监控和网络化控制，可以和用户现场灵活接口，满足用户的不同要求，采用光纤通讯技术，使系统抗电磁干扰的性能增强，运行更加安全可靠。

RHVC高压变频器是由荣信公司研发和生产，具有自主知识产权，适合国内电网特性，符合国内用户使用习惯的调速系统。该系统为电压源型高压变频器，具有运行稳定、调速范围广、输出波形好、输入电流谐波低、功率因数高、效率高等特点，对电网谐波污染小，总体谐波畸变小于4%，完全满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，不必采用输入谐波滤波器，功率因数高，不必采用功率因数补偿装置，输出波形好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、共模电压等问题，不必加输出滤波器，即可驱动普通的异步电机。

2）荣信高压变频器主回路。

荣信RHVC系列高压变频器的主电路如图17所示。通过主电路图，我们可以更加直观的了解变压器的副边绕组与功率单元以及各功率单元之间的电路连接方式：具有相同标号的3组副边绕组，分别向同一功率柜（同一级）内的三个功率单元供电。第一级内每个功率单元的一个输出端连接在一起形成星型连接点，另一个输出端则与下一级功率单元的输出端相连，依此方式，将同一相的所有功率单元串联在一起，便形成了一个星型连接的三相高压电源，驱动电动机运行。

HVC高压变频器采用单元串联多电平PWM拓扑结构。由若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出,高压主回路与控制器之间为光纤连接，安全可靠；精确的故障报警保护；具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电机在正常运行和故障时的安全可靠。

3）电压叠加原理。
每个功率模块分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的，即使在电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证各相位组的电流基本相同，达到理想的谐波抵消效果。当电网电压为6kV时，变压器的副边输出电压即功率单元的输入电压为690V，每个功率单元的最高输出电压也为690V，同一相的五个单元串联后，相电压为690V�5=3450V，由于三相连接成星型，那么线电压便等于1.732�3450V≈6000V（见图19），达到电网电压的水平。

功率单元串联后得到的是阶梯正弦的PWM波形，如下图所示。这种波形正弦度好，du/dt小，可减少对电机和电缆的绝缘损坏，无需输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电动机也不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗也大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和传动部分的机械应力。如图分别为实测的高压变频器输出电压波形和电流波形。

 4）高压变频器功率单元。

功率单元是组成高压变频器的最小单位。高压变频器每个功率单元采用模块化设计，在结构和电气性能上完全一致，可以通用互换。功率单元的基本拓扑为交—直—交三相整流/单相逆变电路，其主回路如下图所示。

功率单元主要由整流电路、逆变电路、控制电路、驱动电路、故障检测电路、通讯电路、指示电路等组成。

功率单元的整流电路将变压器副边绕组提供的三相交流电源整流为脉动的直流电源，经过大容量的电力电容滤波后，可以得到稳定的直流电源。通过对IGBT组成的逆变桥进行正弦调制的PWM控制，可得到等效正弦的单相交流输出。

IGBT等功率器件的散热采用先进高效的散热技术，大大提高了功率器件的工作安全可靠性。另外，每个功率单元都能显示自己的工作状态和故障信息等。当功率单元发生故障后将会向控制系统发出信号，控制系统将会及时的处理。

2．增加旁路柜，确保变频器故障时，能及时切入原系统，保障生产不受影响。

采用旁路柜与变频器结合，系统变频运行时，合旁路柜QS1，QS2刀闸，操作台切换至变频运行，皮带机系统进入变频运行模式；系统工频运行时，合旁路柜QS3刀闸，操作台切换至工频运行，皮带机系统进入工频运行模式。

3．操作及监控一体化，应用新集控平台对老主控系统进行改造。

4.改造后系统结构

五、现场变频改造情况
此次变频改造选用荣信股份3台RHVC4-A06/400-T型高压变频器，额定电压6kV，额定电流38A，额定功率400kW。

我公司RHVC系列变频器实际应用后，具有以下特点:
1．真正实现了皮带机系统的软起动，实现了无级平滑调速，可在静态或动态任意调整电动机转速，运行平稳，无转差冲击。运用变频器的软起动功能，将电机的软起动和皮带机的软起动合二为一，通过电机的慢速起动，带动皮带机缓慢起动，将皮带内部贮存的能量缓慢释放，使皮带机在起动过程中形成的张力波极小，几乎对皮带不造成损害。

2．实现了皮带机三台电机驱动时的功率平衡。变频器对皮带机进行驱动时，采用一拖一控制，三台电机驱动，采用主从控制，实现功率平衡。现场主井皮带为3�280KW电机驱动，采用主从控制后，轻载时主从电机电流相差小于3A，满载时相差2A左右。基本实现了皮带机三电机驱动时的功率平衡。

3）降低皮带带强。采用变频器驱动之后，由于变频器的起动时间可调，通常皮带机起动时间在50s～200s内根据现场需求设定，皮带机的起动时间延长，大大降低皮带引力强度，延长了皮带寿命。

4）降低设备的维护量。利用变频器的软起动功能实现带式输送机的软起动，起动过程中对机械基本无冲击，也大大减少了皮带机系统机械部份的检修量，同时，变频调速因实现了皮带机低速运转，工人在检查皮带及维修皮带都在机头位置，低速运行可及时发现问题，随时停车进行维修维护，避免在工频运行时即便看到故障点，紧急停车，皮带也会因惯性超出维修区域，造成工作不便。

5）变频器采用矢量控制，输出转矩可控；可低速运行，动态响应快、转速精度高；加速度特性好抗负载突变能力强，启动平滑，转矩大，谐波含量少，没有冲击电流，可实现重载启动。此功能的实现，解决了现场以前在皮带满载停机后，设备难以启动，造成高压系统过流，上级断路器跳闸，现场遇到此问题只能人工卸煤，减少皮带载煤量，但是往往延误生产，人员劳动强度大大增加。

六．结束语。 

原系统在实际运行中明显存在能耗大，效率低，运行可靠性差等特点，进行变频改造后系统效率明显提高，有功功率增加，节电率约在15%左右，设备维护量降低，可靠性提高，用户评价良好，未出现较大故障及安全事故，保障了煤矿的安全正常生产。 随着高压变频器技术的进一步提高，产品的可靠性及稳定性增强，同时响应国家创建节约型社会的号召，高压变频技术将越来越多的应用于煤矿行业，为企业节能增产做出积极贡献。