论文部分内容阅读
[摘要]新桥煤矿在南翼采区下运胶带输送机制动系统中成功应用矿用隔爆兼本质安全型四象限变频调整装置实现胶带机的制动，实现了过流、过压、欠压、过热和缺相等多种保护功能，采用自封闭式强制水循环冷却+风冷的散热方式，解决了大功率元件的散热问题，延长了设备的使用寿命，有效解决了胶带输送机运输过程中的负力问题，能量回馈电网，达到很好的节能效果。
[关键词]变频调速胶带输送机散热制动
中图分类号：TM344.6 文献标识码：TM 文章编号：1009―914X（2013）31―0211―02
1、前言
胶带输送机是煤矿企业中应用最广泛的运输设备，具有运量大、运输效率高的优点。因受地质条件、巷道位置等因素影响，不可避免的会出现胶带输送机上行运行、水平运输、下行运行以及上述几种条件同时出现的情况。当出现有长距离下山运输的情况时，在胶带输送机及其运输物料的自身重力作用，使包括电动机在内的控制系统完全处于失控状态，造成影响矿井原煤生产的安全隐患。新桥煤矿南一采区下山胶带输送机采用3部电机驱动，电机功率为250kW，供电电压为AC1140V，经过调研论证，我们决定使用四象限变频调速装置解决上述问题。
2、防爆变频技术
随着交流变频调速技术的日趋成熟和完善，通用变频器得到了迅速广泛的应用，但受煤矿井下条件限制未能得到实际应用。
首先是解决防爆和散热之间的问题。作为变频器的主要逆变模块—IGBT是发热最多的器件，据专家估计：逆变模块约占整个变频器所有散热量的70％；整流模块发热也是相当大的，它所发的热量约占整个变频器的25％；而剩下的5％则是电解电容、充电电阻、均压电阻以及印制板上的发热元件等所产生的热量。在散热技术方面，我们引进了国外高效能热管散热技术，其极低热阻的高效散热性能，优越的双面散热形式使主要散热得到解决，结合软开关技术，最大散热能力电压1140V可达到630kW；电压660V可达到500kW变频器的散热需要。经五年实践证明，采用热管直冷式散热技术的隔爆变频器便于移动，导热率达到95%以上。通过对软件、硬件的不断修改、完善，降低了逆变模块的开关损耗及其他内部器件的发热。这样便解决了防爆与散热之间的冲突。最终防爆体不需要外加通风装置或外接循环水，非常适用于煤矿井下的免维护要求。为了适应井下电网的中性点不接地系统，采用特殊的中性点不接地吸收结构，同时采用正负母线密贴的低电感母线技术来增强直流侧的吸收能力，抑制逆变器高速开关形成的叠加电压。
针对煤矿井下的特殊环境，防爆变频器除了在箱体结构方面采取了相应的防潮、防滴水措施外，在主回路方面尽量加大爬电距离与电气间隙，在控制回路方面，所有的控制板均采取了特殊防潮措施。
ZJT2系列隔爆变频器为了保证系统的可靠性，控制及主回路器件全部选用进口器件，控制系统采用德国西门子公司专为井下大功率恒转矩负载设计的矢量控制技术；主回路系统IGBT为德国西门子公司EUPEC分公司的模块并联，启动转矩为额定的2倍。驱动系统采用高压光纤驱动系统，吸收电容采用HCGF5系列长寿命电解电容，采用上述器件能满足变频器安全、稳定、长期的运行。
采用全数字无速度传感器矢量控制，使系统调速范围宽，调速精度高，变频器在低频运行时，也保证有100%额定力矩输出。最大转矩为额定转矩的2倍，0.5Hz即可达到1.7倍以上的启动转矩。
3、变频器与直接启动的比较
（1）软启动特性。
我们知道电动动机的转速为：
因此，只需调节电机电源输入频率即可以实现电动机的调速。故可以方便地实现带式输送机的软启动，且可以实现“S”型加减速曲线，保证在加减速的拐点位置对系统仍没有冲击。
而直接启动无法实现软启动的功能。
（2）启动电流。
我们知道功率为
那么变频器输入端的功率为：
①
同理，变频器输出端的功率为：
②
由于变频器本身不是一个发电设备，扣除变频器的功率损耗，其输入输出功率几乎相同，我们可以近似的把变频器看成一个恒功率负载，故
③
将公式①②代入公式③中，即
输入输出功率因数基本相同，将上式两边相同的系数约掉，即
将输入电压移到右边，上式变为：
④
另外，变频器有一个特点，即感应电势与频率的比值为常值（这里不再多赘述），忽略漏阻抗漏磁通等因素，可认为变频器输出电压与频率的比值为常值，即：
因此：
将输出频率倒到右侧，即
⑤
将式⑤代入式④中，则
而输入电压即为工频电压，且工频的频率为50Hz，因此
⑥
比如说直接启动时，启动电流为5～7倍的额定电流。而采用变频器，电机的启动电流一般为2倍左右的额定电流，最大时仅可能达到3倍以下的额定电流，电机的电流即为变频器的输出电流。比如说启动频率为5Hz时，此时变频器的输入电流为：
因此，电机侧电流比较小，有效保护电机；同时，变频器网侧电流非常小，对电网冲击非常小。而直接启动不仅启动电流大，对电机有损害，同时对电网冲击也非常大。
（3）对机械系统的冲击。
由于变频系统启动为“S”型曲线，加速度曲线平滑，启动及运行过程平衡，对机械系统冲击非常小。
而直接启动对机械系统冲击非常大，皮带接头、卡子、托辊、架子等容易造成损坏，不但增加维修费用，还因此造成停产而使矿上增大损失。
（4）重载启动。
在系统处于重载时，直接启动可能会无法启动，即使能启动起来电流也非常大，对电网冲击很大。
采用变频驱动的时候，在0.5Hz的时候即可达到2倍的额定转矩，能够实现重载启动，且启动电流比较小，对电网几乎没有冲击。
（5）功率平衡。
对于多机驱动的带式输送机，由于滚筒直径、减速机减速比、电机转速、滚筒围包角等等数据的不同，多台电机出力不可能平衡。直接启动时这种不平衡是通过维护工调节液力耦合器来进行调节的，无法实现真正意义上的自动调节，而变频器调速系统可以实现自动功率平衡，更好地解决功率平衡。
（6）功率因数。
直接启动系统其效率较低，功率因数也很低，功率因数一般为0.8以下，采用变频调速系统功率因数可以达到0.95以上，减少系统的无功。
4、效益分析
（1）解决了胶带输送机运输过程中的负力问题，能量回馈电网，达到很好的节能效果。
（2）解决了胶带输送机运行过程中的速度失控问题，实现了胶带输送机运行全过程的起、制动和速度控制，保证了设备的正常运行。
（3）解决了机械系统及电气系统的冲击问题，延长了设备的使用寿命。
（4）顺滑的无级调速特性使胶带机起动及停止过程非常平稳，减少了皮带窜动、跑偏、洒煤等现象，保障了生产正常进行，减少了工人劳动强度。
5、结语
在南翼采区下运胶带输送机制动系统中成功应用矿用隔爆兼本质安全型四象限变频调整装置实现胶带机的制动，可以提供过流、过压、欠压、过热和缺相等多种保护功能，采用自封闭式强制水循环冷却+风冷的散热方式，解决了大功率元件的散热问题，延长了设备的使用寿命，有效解决了胶带输送机运输过程中的负力问题，能量回馈电网，达到很好的节能效果，值得推广。
参考文献
[1] 白晓满.6 kV 变频调速装置在带式输送机的应用[J ]．煤炭科学技术，2007（10）.
[2] 张更业.变频器调速驱动系统在煤矿胶带机输送系统中的应用[J ].工矿自动化，2007（02）.
[关键词]变频调速胶带输送机散热制动
中图分类号：TM344.6 文献标识码：TM 文章编号：1009―914X（2013）31―0211―02
1、前言
胶带输送机是煤矿企业中应用最广泛的运输设备，具有运量大、运输效率高的优点。因受地质条件、巷道位置等因素影响，不可避免的会出现胶带输送机上行运行、水平运输、下行运行以及上述几种条件同时出现的情况。当出现有长距离下山运输的情况时，在胶带输送机及其运输物料的自身重力作用，使包括电动机在内的控制系统完全处于失控状态，造成影响矿井原煤生产的安全隐患。新桥煤矿南一采区下山胶带输送机采用3部电机驱动，电机功率为250kW，供电电压为AC1140V，经过调研论证，我们决定使用四象限变频调速装置解决上述问题。
2、防爆变频技术
随着交流变频调速技术的日趋成熟和完善，通用变频器得到了迅速广泛的应用，但受煤矿井下条件限制未能得到实际应用。
首先是解决防爆和散热之间的问题。作为变频器的主要逆变模块—IGBT是发热最多的器件，据专家估计：逆变模块约占整个变频器所有散热量的70％；整流模块发热也是相当大的，它所发的热量约占整个变频器的25％；而剩下的5％则是电解电容、充电电阻、均压电阻以及印制板上的发热元件等所产生的热量。在散热技术方面，我们引进了国外高效能热管散热技术，其极低热阻的高效散热性能，优越的双面散热形式使主要散热得到解决，结合软开关技术，最大散热能力电压1140V可达到630kW；电压660V可达到500kW变频器的散热需要。经五年实践证明，采用热管直冷式散热技术的隔爆变频器便于移动，导热率达到95%以上。通过对软件、硬件的不断修改、完善，降低了逆变模块的开关损耗及其他内部器件的发热。这样便解决了防爆与散热之间的冲突。最终防爆体不需要外加通风装置或外接循环水，非常适用于煤矿井下的免维护要求。为了适应井下电网的中性点不接地系统，采用特殊的中性点不接地吸收结构，同时采用正负母线密贴的低电感母线技术来增强直流侧的吸收能力，抑制逆变器高速开关形成的叠加电压。
针对煤矿井下的特殊环境，防爆变频器除了在箱体结构方面采取了相应的防潮、防滴水措施外，在主回路方面尽量加大爬电距离与电气间隙，在控制回路方面，所有的控制板均采取了特殊防潮措施。
ZJT2系列隔爆变频器为了保证系统的可靠性，控制及主回路器件全部选用进口器件，控制系统采用德国西门子公司专为井下大功率恒转矩负载设计的矢量控制技术；主回路系统IGBT为德国西门子公司EUPEC分公司的模块并联，启动转矩为额定的2倍。驱动系统采用高压光纤驱动系统，吸收电容采用HCGF5系列长寿命电解电容，采用上述器件能满足变频器安全、稳定、长期的运行。
采用全数字无速度传感器矢量控制，使系统调速范围宽，调速精度高，变频器在低频运行时，也保证有100%额定力矩输出。最大转矩为额定转矩的2倍，0.5Hz即可达到1.7倍以上的启动转矩。
3、变频器与直接启动的比较
（1）软启动特性。
我们知道电动动机的转速为：
因此，只需调节电机电源输入频率即可以实现电动机的调速。故可以方便地实现带式输送机的软启动，且可以实现“S”型加减速曲线，保证在加减速的拐点位置对系统仍没有冲击。
而直接启动无法实现软启动的功能。
（2）启动电流。
我们知道功率为
那么变频器输入端的功率为：
①
同理，变频器输出端的功率为：
②
由于变频器本身不是一个发电设备，扣除变频器的功率损耗，其输入输出功率几乎相同，我们可以近似的把变频器看成一个恒功率负载，故
③
将公式①②代入公式③中，即
输入输出功率因数基本相同，将上式两边相同的系数约掉，即
将输入电压移到右边，上式变为：
④
另外，变频器有一个特点，即感应电势与频率的比值为常值（这里不再多赘述），忽略漏阻抗漏磁通等因素，可认为变频器输出电压与频率的比值为常值，即：
因此：
将输出频率倒到右侧，即
⑤
将式⑤代入式④中，则
而输入电压即为工频电压，且工频的频率为50Hz，因此
⑥
比如说直接启动时，启动电流为5～7倍的额定电流。而采用变频器，电机的启动电流一般为2倍左右的额定电流，最大时仅可能达到3倍以下的额定电流，电机的电流即为变频器的输出电流。比如说启动频率为5Hz时，此时变频器的输入电流为：
因此，电机侧电流比较小，有效保护电机；同时，变频器网侧电流非常小，对电网冲击非常小。而直接启动不仅启动电流大，对电机有损害，同时对电网冲击也非常大。
（3）对机械系统的冲击。
由于变频系统启动为“S”型曲线，加速度曲线平滑，启动及运行过程平衡，对机械系统冲击非常小。
而直接启动对机械系统冲击非常大，皮带接头、卡子、托辊、架子等容易造成损坏，不但增加维修费用，还因此造成停产而使矿上增大损失。
（4）重载启动。
在系统处于重载时，直接启动可能会无法启动，即使能启动起来电流也非常大，对电网冲击很大。
采用变频驱动的时候，在0.5Hz的时候即可达到2倍的额定转矩，能够实现重载启动，且启动电流比较小，对电网几乎没有冲击。
（5）功率平衡。
对于多机驱动的带式输送机，由于滚筒直径、减速机减速比、电机转速、滚筒围包角等等数据的不同，多台电机出力不可能平衡。直接启动时这种不平衡是通过维护工调节液力耦合器来进行调节的，无法实现真正意义上的自动调节，而变频器调速系统可以实现自动功率平衡，更好地解决功率平衡。
（6）功率因数。
直接启动系统其效率较低，功率因数也很低，功率因数一般为0.8以下，采用变频调速系统功率因数可以达到0.95以上，减少系统的无功。
4、效益分析
（1）解决了胶带输送机运输过程中的负力问题，能量回馈电网，达到很好的节能效果。
（2）解决了胶带输送机运行过程中的速度失控问题，实现了胶带输送机运行全过程的起、制动和速度控制，保证了设备的正常运行。
（3）解决了机械系统及电气系统的冲击问题，延长了设备的使用寿命。
（4）顺滑的无级调速特性使胶带机起动及停止过程非常平稳，减少了皮带窜动、跑偏、洒煤等现象，保障了生产正常进行，减少了工人劳动强度。
5、结语
在南翼采区下运胶带输送机制动系统中成功应用矿用隔爆兼本质安全型四象限变频调整装置实现胶带机的制动，可以提供过流、过压、欠压、过热和缺相等多种保护功能，采用自封闭式强制水循环冷却+风冷的散热方式，解决了大功率元件的散热问题，延长了设备的使用寿命，有效解决了胶带输送机运输过程中的负力问题，能量回馈电网，达到很好的节能效果，值得推广。
参考文献
[1] 白晓满.6 kV 变频调速装置在带式输送机的应用[J ]．煤炭科学技术，2007（10）.
[2] 张更业.变频器调速驱动系统在煤矿胶带机输送系统中的应用[J ].工矿自动化，2007（02）.