1 引言
國內(nèi)現(xiàn)有大多數(shù)煤礦的皮帶輸送機(jī)一般都采用工頻拖動，較少使用變頻器驅(qū)動。由于電機(jī)長期工頻運(yùn)行加之液力耦合器效率等問題，造成皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行起來非常不經(jīng)濟(jì)；同時(shí)由于電機(jī)無法采用軟起軟停，在機(jī)械上產(chǎn)生劇烈沖擊，加速機(jī)械的磨損；此外，皮帶、液力耦合器的磨損和維護(hù)等問題都會給企業(yè)帶來很大數(shù)額的費(fèi)用問題。這對于現(xiàn)在創(chuàng)建節(jié)能型社會是不相符合的，對煤礦企業(yè)的皮帶輸送機(jī)進(jìn)行變頻改造對節(jié)約社會能源、增加煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都具有非?，F(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。

2 皮帶輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)組成
華北某煤礦400m井下采煤作業(yè)面采用三段式皮帶下行傳送；第一段向下運(yùn)輸，水平距離950m，提升高度116.3m；第二段向下運(yùn)輸，水平距離680m，提升高度25m；第三段向下運(yùn)輸，水平距離630m，提升高度84.2m。運(yùn)輸能力為3000t/h（最大），皮帶帶寬1.4m，皮帶機(jī)運(yùn)行速度為4m/s，運(yùn)輸方式為下運(yùn)。改造前的拖動方式為每段皮帶機(jī)由兩臺1140v、250kw繞線式三相異步電動機(jī)經(jīng)液力耦合器同軸連接；皮帶機(jī)的啟動和運(yùn)行方式為，繞線電機(jī)經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組降壓啟動后工頻運(yùn)行，經(jīng)液力耦合器切換至皮帶機(jī)。第一、二段皮帶機(jī)的電機(jī)分別由同一線路的兩臺變壓器供電，第三段皮帶機(jī)的電機(jī)由同一線路的另一臺變壓器供電。改造前各段皮帶機(jī)自成體系，互不聯(lián)系，均采用手動運(yùn)行方式，皮帶機(jī)啟動后電機(jī)恒速運(yùn)行，采用調(diào)節(jié)液力耦合器的機(jī)械效率來調(diào)整皮帶的速度。該煤礦井下采區(qū)皮帶機(jī)縱剖面示意圖如圖1所示，水平面剖面示意圖如圖2所示。

圖1 皮帶機(jī)縱剖面示意圖 單位（m）

圖2 皮帶機(jī)水平剖面示意圖 單位（m）

3 皮帶機(jī)的工作原理和特點(diǎn)
皮帶機(jī)通過驅(qū)動輪鼓，靠摩擦牽引皮帶運(yùn)行，皮帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運(yùn)動。皮帶是彈性儲能材料，在皮帶機(jī)停止和運(yùn)行時(shí)都儲存有大量勢能，這就決定了皮帶機(jī)的啟動時(shí)應(yīng)該采用軟啟動的方式。國內(nèi)大多數(shù)煤礦采用液力耦合器來實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的軟啟動，在啟動時(shí)調(diào)整液力耦合器的機(jī)械效率為零，使電機(jī)空載啟動。雖然采用了轉(zhuǎn)子串接電阻改善啟動轉(zhuǎn)矩和降壓空載啟動等方法，但電機(jī)的啟動電流仍然很大，不僅會引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動，還會造成電機(jī)內(nèi)部機(jī)械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)象。同時(shí)采用液力耦合器軟起皮帶時(shí)，由于啟動時(shí)間短、加載力大容易引起皮帶斷裂和老化，要求皮帶的強(qiáng)度高。加之液力耦合器長時(shí)間工作會引起其內(nèi)部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動等情況發(fā)生，不僅會加大維護(hù)難度和成本、污染了環(huán)境，還會使多機(jī)驅(qū)動同一皮帶時(shí)難以解決功率平衡和同步問題。

4 三相異步電動機(jī)四象限動態(tài)運(yùn)行分析
（1）從圖1可以看出該皮帶機(jī)是向下輸煤至主井，從圖2可以看出同一皮帶機(jī)上的兩臺電機(jī)是同軸連接的，當(dāng)皮帶機(jī)工作時(shí)，兩臺電機(jī)分別一臺正轉(zhuǎn)、另一臺反轉(zhuǎn)。以第一段皮帶機(jī)的1#和2#電動機(jī)為例，當(dāng)皮帶機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，1#電機(jī)反轉(zhuǎn)、2#電機(jī)正轉(zhuǎn)，皮帶機(jī)下行運(yùn)動；此時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過液力耦合器轉(zhuǎn)換后作用在皮帶機(jī)驅(qū)動輪轂上，并與上層皮帶自重沿傳輸面重力分量作用在皮帶機(jī)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阻力合力矩相平衡，皮帶機(jī)空載運(yùn)行；此時(shí)1#電機(jī)處于反轉(zhuǎn)電動態(tài)，工作在第三象限；2#電機(jī)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(jī)械連接使得電機(jī)轉(zhuǎn)子也加速轉(zhuǎn)動，其速度將超過同步轉(zhuǎn)速；此時(shí)1#電機(jī)處于反轉(zhuǎn)再生態(tài)，工作在第四象限；2#電機(jī)處于正轉(zhuǎn)再生態(tài)，工作在第二象限。
電機(jī)運(yùn)行在第一、第三象限內(nèi)時(shí)為電動態(tài)，其定子中的旋轉(zhuǎn)磁場、電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向同向，電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子的驅(qū)動力矩，此時(shí)電機(jī)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(jī)械能形式輸出。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在第二、第四象限內(nèi)時(shí)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(jī)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(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子被負(fù)載的合成力矩拖著以超過同步轉(zhuǎn)速的速度轉(zhuǎn)動，負(fù)載作用在皮帶機(jī)驅(qū)動輪轂上的機(jī)械能由電機(jī)反饋回電網(wǎng)。故在進(jìn)行下行皮帶機(jī)變頻改造時(shí)，應(yīng)選用四象限帶能量回饋的專用變頻器。三相異步電動機(jī)在四個象限運(yùn)行的特征曲線如圖3所示，變頻驅(qū)動三相異步電動機(jī)在四個象限的運(yùn)行特征曲線如圖4所示。

圖3 三相異步電動機(jī)在四個象限的運(yùn)行特征曲線

圖4 變頻驅(qū)動的三相異步電動機(jī)在四個象限的運(yùn)行特征曲線

（2）變頻器驅(qū)動三相異步電動機(jī)的啟動情況可以分為電動態(tài)啟動、再生態(tài)啟動和空載啟動。為了防止啟動時(shí)因?yàn)橥蟿酉到y(tǒng)速度不為零而造成電機(jī)和變頻器發(fā)生過載情況，變頻器在電機(jī)啟動前預(yù)先輸出0hz的力矩電流，即變頻器對電機(jī)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)啟動時(shí)初速度為零，這樣變頻器啟動后逐漸升高輸出頻率，并保持輸出轉(zhuǎn)矩基本不變（視啟動后負(fù)載力矩情況而定），實(shí)現(xiàn)電機(jī)的帶載啟動。當(dāng)變頻器輸出頻率到達(dá)設(shè)定頻率后，電機(jī)按該頻率下的特征曲線運(yùn)行。圖5、圖6分別為變頻器驅(qū)動三相異步電動機(jī)電動態(tài)啟動和再生態(tài)啟動時(shí)電機(jī)的特征曲線變化圖，圖中箭頭為啟動時(shí)變頻器輸出頻率、輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速及特征曲線等參數(shù)的變化方向。

圖5 變頻驅(qū)動的三相異步電動機(jī)電動態(tài)啟動時(shí)的特征曲線

圖6 變頻驅(qū)動的三相異步電動機(jī)再生態(tài)啟動時(shí)的特征曲線

5 皮帶機(jī)變頻改造
（1）皮帶機(jī)變頻技術(shù)改造措施

根據(jù)以上分析可以知道，因?yàn)橄滦衅C(jī)運(yùn)行時(shí)其驅(qū)動電機(jī)會運(yùn)行在四個象限內(nèi)，這就需要驅(qū)動用變頻器是四象限帶能量回饋型變頻器。同時(shí)根據(jù)皮帶機(jī)的工作情況，需要變頻器能夠在電機(jī)帶載啟動、空載啟動或是停機(jī)時(shí)能夠輸出直流制動力矩，以保證皮帶機(jī)平穩(wěn)啟動、停止，減小機(jī)械沖擊。
為使該皮帶機(jī)同軸的兩臺電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡，在變頻改造中采用同軸的兩臺電機(jī)的兩套逆變單元公用直流母線、統(tǒng)一控制指令，公用一套整流單元和回饋單元。這樣控制系統(tǒng)檢測控制兩臺電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，使之達(dá)到轉(zhuǎn)矩平衡，徹底解決扭震、共振等問題。為使整個皮帶機(jī)系統(tǒng)達(dá)到同步，可以將所有變頻單元里的直流母線共同連接，將控制系統(tǒng)設(shè)成主從控制；系統(tǒng)檢測所有電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)運(yùn)算后控制各電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到統(tǒng)一平衡，從而實(shí)現(xiàn)所有電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡和速度同步。將所有變頻單元的直流母線連接在一起，還可以實(shí)現(xiàn)變頻器內(nèi)部整流單元、逆變單元和回饋單元的冗余連接。當(dāng)某一個整流或回饋單元發(fā)生故障時(shí)，可以由其他的整流和回饋單元來完成整流和回饋功能。如果當(dāng)某一個逆變單元故障時(shí)，則系統(tǒng)檢測負(fù)載狀況，并計(jì)算其余電機(jī)能否拖動整個皮帶，如果可以則由其余逆變單元和電機(jī)繼續(xù)工作。在改造中保留原有工頻啟動柜，將其作為變頻運(yùn)行的工頻旁路備用，提高設(shè)備的應(yīng)急運(yùn)行能力。
對于該中壓變頻器的一次供電，采用同一線路的兩臺6kv變1140v的電力變壓器并列運(yùn)行向1#～4#電機(jī)的變頻器供電，同一線路的另一臺6kv變1140v的電力變壓器單獨(dú)向5#、6#電機(jī)的變頻器供電。這種一次供電方案在一定程度上提高了供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在一定程度上降低了整個皮帶機(jī)供電系統(tǒng)全部停電的風(fēng)險(xiǎn)。皮帶機(jī)變頻改造主電路原理圖如圖7所示。

圖7 皮帶機(jī)變頻改造主電路原理圖

（2）皮帶機(jī)自動控制系統(tǒng)的改造
皮帶機(jī)自動控制系統(tǒng)采用西門子s7-300plc，以主從方式通過profibus dp通訊完成連接。井上中控室s7-300 plc設(shè)為主站，通過cp342-5 fo主從通訊處理器光纖接口，使用光纖連接井下s7-300 plc從站。井下s7-300 plc從站和中壓變頻器都裝置在防爆殼體內(nèi)，并在井下集中安裝，采用安全隔離模塊隔離處理變頻器和皮帶機(jī)張力檢測模擬量信號。通過profibus dp網(wǎng)絡(luò)可以將皮帶機(jī)自動控制系統(tǒng)與整個煤礦的dcs系統(tǒng)相連接，也可以通過安裝le/pb bbbb和整個煤礦的工業(yè)以太網(wǎng)連接。
在中控室設(shè)上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)，使用西門子wincc組態(tài)軟件，可以對皮帶機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可以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(bào)警數(shù)據(jù)。plc控制系統(tǒng)完成對變頻器的起、?？刂疲瑢?shí)現(xiàn)各電機(jī)等速啟動和同步控制，對各電機(jī)進(jìn)行過流、過載、短路、斷路檢測和保護(hù)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對皮帶跑偏檢測、皮帶堆煤等保護(hù)。圖8和圖9分別為皮帶機(jī)自動控制系統(tǒng)示意圖和上位機(jī)監(jiān)控畫面。

圖8 皮帶機(jī)自動控制系統(tǒng)示意圖

圖9 皮帶機(jī)井下監(jiān)控畫面

（3）皮帶機(jī)變頻改造中機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造措施
皮帶機(jī)變頻改造后，將原有的電氣柜保留作為工頻旁路，同時(shí)將液力耦合器的效率調(diào)至最大；如果調(diào)試中變頻器發(fā)生故障，則可以利用原有的工頻啟動柜應(yīng)急運(yùn)行，啟動時(shí)調(diào)整液力耦合器效率為零，電機(jī)空載啟動，啟動后適當(dāng)調(diào)整液力耦合器效率。當(dāng)整個設(shè)備運(yùn)行調(diào)試完成后，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行一段時(shí)間證明設(shè)備整體運(yùn)行穩(wěn)定、良好后，可以拆除液力耦合器，將皮帶轉(zhuǎn)軸直接連接到電機(jī)上。拆下的液力耦合器入庫儲存?zhèn)溆?，如果發(fā)生變頻器故障需要工頻運(yùn)行時(shí)，可以把相應(yīng)的液力耦合器再裝上實(shí)現(xiàn)應(yīng)急運(yùn)行。

6 基于igbt直接串聯(lián)技術(shù)的基茨系列中壓變頻器
igbt是雙極性隔離門極晶體管的縮寫，是具有自關(guān)斷特性的高速功率元件。由于igbt模塊的耐壓問題，使得igbt串聯(lián)問題成為了世界公認(rèn)的尖端難題。為了避開igbt串聯(lián)問題，國外眾多品牌普遍采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)來生產(chǎn)中高壓變頻器。這使客戶需要花費(fèi)大量金錢購買體積巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多副邊移相降壓變壓器，不僅投資大，而且運(yùn)行起來很不經(jīng)濟(jì)；更重要的是這種類型的過渡型中高壓變頻器根本無法實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行,也就決定了其無法用于皮帶機(jī)。國產(chǎn)基茨系列中高壓變頻器采用了吳氏3/2箝位技術(shù)，該專利技術(shù)的使用在世界上首次實(shí)現(xiàn)了igbt模塊直接串聯(lián)使用，使中高壓變頻器真正意義上做到了能夠在四象限運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)了公用直流母線功能。同時(shí)國產(chǎn)基茨系列中高壓變頻器還采用了抗共摸電壓技術(shù)、諧波抑制技術(shù)、正弦波技術(shù)等多項(xiàng)專利技術(shù)，使得國產(chǎn)基茨系列中高壓變頻器已經(jīng)成為世界上唯一品牌的直接中高壓通用型變頻器。

7 結(jié)束語
經(jīng)過變頻技術(shù)改造后皮帶機(jī)運(yùn)行良好，徹底實(shí)現(xiàn)了皮帶輸送機(jī)的軟起、軟停運(yùn)行方式，大大提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)和系統(tǒng)效率。改造后系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載變化情況自動調(diào)整輸出頻率和輸出力矩，改變了以前電機(jī)工頻恒速運(yùn)行的模式，在很大程度上節(jié)約了電力能源；而且四象限中高壓變頻器的使用實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)能量回饋功能，進(jìn)一步使得皮帶機(jī)的能耗降低；液力耦合器的退出更大地節(jié)約了設(shè)備的維護(hù)和維修費(fèi)用。經(jīng)過改造后的運(yùn)行證明國產(chǎn)基茨系列中高壓變頻器與眾多國內(nèi)外過渡型中高壓變頻產(chǎn)品相比，有著無法比擬的優(yōu)越的產(chǎn)品性能和無法超越的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢；在煤炭行業(yè)的節(jié)能改造中應(yīng)用能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益，對于創(chuàng)建節(jié)能環(huán)保型的社會發(fā)揮著重要的作用。