1 引言
山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司是2000年8月由汾西礦務(wù)局改制的國有獨資公司，企業(yè)成立于1956年，是山西省人民政府授權(quán)經(jīng)營的國有重點煤炭企業(yè)。公司擁有資產(chǎn)總額46億元，現(xiàn)有職工40623人，礦區(qū)人口約十六萬。
枊灣礦是汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司的主力生產(chǎn)礦井。井田面積為106.8(km)2，煤層總厚11.89m。枊灣礦現(xiàn)有保有儲量9.83億t，可采儲量4.2億t(其中焦煤1.9億t，肥煤2.3億t)。
本項目為新柳煤礦主礦井的原煤產(chǎn)量提升至400萬t的技改項目。

2 原有系統(tǒng)裝置概述
主井皮帶原采用2臺高壓電機(jī)拖動，整套系統(tǒng)工作是由2臺315kw/6kv高壓異步電動機(jī)并聯(lián)拖動。
主井皮帶是柳灣煤礦的中樞，一旦皮帶機(jī)不能正常工作，將造成全礦停產(chǎn)，不但影響生產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，而且會引起嚴(yán)重的社會影響。
原有系統(tǒng)采用交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)。該調(diào)速系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，調(diào)速的平滑性差；低速時機(jī)械特性較軟，靜差率較大；電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功 率大，節(jié)能效果較差；起動過程和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大；中高速運行振動大，安全性較差。該調(diào)速系統(tǒng)在解決電機(jī)間同步，以及出力不均的問題時能力明顯不足。機(jī)械磨損和老化問題日趨嚴(yán)重，性能逐年降低，故障率增加，設(shè)備維修難度大;電動機(jī)效率低，損耗大。整個系統(tǒng)效率低，調(diào)速范圍有限，穩(wěn)定性差。

3 變頻調(diào)速新系統(tǒng)裝置概述
主井皮帶采用3臺高壓電機(jī)拖動，整套系統(tǒng)工作是由3臺710kw/6kv高壓異步電動機(jī)并聯(lián)拖動。其中兩臺電機(jī)同軸拖動同一滾筒，另一電機(jī)單獨驅(qū)動另一滾筒，皮帶運輸機(jī)傳動系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 皮帶運輸機(jī)傳動系統(tǒng)圖

該系統(tǒng)不僅要求3臺速度同步，而且3臺負(fù)荷分配要均衡一致，如圖2所示。

圖2 皮帶運輸機(jī)高壓變頻裝置驅(qū)動圖

綜合以上因素，甲方考慮采用高壓變頻調(diào)速裝置驅(qū)動皮帶系統(tǒng)，但是，由于目前國內(nèi)外高壓變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域主要在風(fēng)機(jī)水泵等變轉(zhuǎn)矩應(yīng)用方面，很少有恒轉(zhuǎn)矩重載設(shè)備驅(qū)動的實例，而重載多單元同步控制的成功應(yīng)用更是幾乎沒有，新柳煤礦非常慎重，經(jīng)過綜合考查了國內(nèi)外多家變頻廠商，同各方面專家進(jìn)行了多次的研討，最終確認(rèn)了日本明電舍的vt710高壓變頻器驅(qū)動裝置的系統(tǒng)方案。
圖2為皮帶運輸機(jī)高壓變頻器驅(qū)動系統(tǒng)圖。

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制概述
鑒于復(fù)雜的現(xiàn)場情況，如：電機(jī)特性曲線存在差異、輥筒直徑制造差異、輥筒及皮帶的磨損差異、以及輥筒表面的附著差異等，我們建立以輥筒的一致性線速度為給定、以功率平衡分配為最終控制對象，構(gòu)成速度和電流雙閉環(huán)主輔同步控制系統(tǒng)， 采用vt710 的轉(zhuǎn)矩自動平衡控制模式，以達(dá)到理想的同步控制效果。
同時，vt710根據(jù)電流電流反饋實時計算轉(zhuǎn)矩，并依靠其高速的系統(tǒng)響應(yīng)，建立了優(yōu)化的從動電機(jī)跟隨模型, 根據(jù)負(fù)載的變化和實際速度的變化，動態(tài)調(diào)整速度輸出和功率輸出，使3臺電機(jī)的功率平衡分配，線速度一致，達(dá)到高精度的同步控制。
以皮帶的工作速度v為基礎(chǔ)，中控室通過rs－485給3臺變頻器發(fā)送轉(zhuǎn)速指令，通過轉(zhuǎn)矩自動平衡控制模式，vt710 能夠自動調(diào)整3臺電機(jī)的平衡轉(zhuǎn)矩輸出點，在角速度n₁、n₂、n₃不同的情況下，使得電機(jī)功率p₁≈p₂≈p₃、同時輥筒線速度v₁≈v₂≈v₃。
本系統(tǒng)如圖3所示，采用多單元同步控制系統(tǒng)，考慮到煤礦的現(xiàn)場情況和控制距離, 在設(shè)備機(jī)頭設(shè)有本地/遙控轉(zhuǎn)換開關(guān)，既可實現(xiàn)本地控制, 也可遠(yuǎn)程遙控。3臺變頻器之間通過開放的rs－485串行通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。在運行中，可以在控制室通過工控機(jī)對3臺高壓變頻器同時給定同步速度，實現(xiàn)良好的同步關(guān)系。
高壓變頻器系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 高壓變頻器系統(tǒng)圖

運行中的高壓變頻器如圖4所示。

圖4 運行中的高壓變頻器外觀圖

5 vt710高壓變頻器特性
(1) 滿載時，包括移相變壓器在內(nèi)的變頻調(diào)速系統(tǒng)效率≥97%；
(2) 功率因數(shù)≥95%；
(3) 滿足中國諧波相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；
(4) 適用6000v 普通異步電機(jī)；
(5) 近似全數(shù)字pwm脈寬調(diào)制技術(shù)；
(6) 全功率范圍段的mcu控制；
(7) pwm輸出電壓波形控制在vdc內(nèi)；
(8) 直接矢量閉環(huán)控制模式，控制精度萬分之一；
(9) 在閉環(huán)矢量控制模式下，vt710的控制范圍是1:100，即以50hz為基頻，其控制范圍可到0.5hz。在開環(huán)情況下，vt710的控制范圍也可達(dá)到1:10，即5hz；
(10) 電流跟蹤和磁通補(bǔ)償功能；
(11) 主要功能：轉(zhuǎn)差補(bǔ)償，電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)，瞬時停電再啟動，多段速，高效運行，比例聯(lián)動，頻率跳躍等;
(12) 保護(hù)功能：過電流限制，過電壓限制，過負(fù)荷預(yù)警，過電流跳閘，過電壓跳閘，cell功率單元故障跳閘，過負(fù)荷跳閘，接地故障跳閘，過熱跳閘，其它；
(13) 顯示：輸出頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)電流，輸出電壓，電機(jī)輸出功率，各功率單元dc電壓，運行時間，故障查詢，變頻器溫度，其它。

6 vt710變頻調(diào)速系統(tǒng)與交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的比較
6.1 vt710與電機(jī)串電阻調(diào)速相比的突出特點
(1) 起動性能優(yōu)越
變頻器采用速度閉環(huán)控制，調(diào)速精度高，啟動轉(zhuǎn)矩可以做到等于最大輸出轉(zhuǎn)矩；即使在零速也可以達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩。串電阻調(diào)速起動過程和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大。
(2) 系統(tǒng)效率高
變頻器輸出直接和電機(jī)相連接，效率高；繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，電阻上消耗大量的轉(zhuǎn)差功率,效率極低。
(3) 負(fù)載特性良好
變頻器負(fù)載可以在很大的范圍來調(diào)節(jié)；繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速范圍有限。
(4) 維護(hù)成本低
變頻器的運行成本和維護(hù)成本卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)比串電阻調(diào)速低。串電阻調(diào)速的日常維護(hù)比變頻器工作量大，維護(hù)成本高。
6.2 變頻器系統(tǒng)和繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻系統(tǒng)綜合比較
變頻器系統(tǒng)和繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻系統(tǒng)綜合比較如附表所示。

7 vt710直接高壓變頻器運行情況及經(jīng)濟(jì)效益分析
vt710直接高壓變頻器于2008年2月1日開始調(diào)試，2月7日開始帶負(fù)載試運行，3臺變頻器直接起動試運行一次成功。
通過調(diào)試和運行情況可以看到，明電舍的驅(qū)動系統(tǒng)滿足了濕度大、電壓波動大、負(fù)載變化大、平滑起停、低頻大扭矩等多單元同步運行的現(xiàn)場要求，具有以下優(yōu)點:
(1) 運行穩(wěn)定，安全可靠。
(2) 啟動平穩(wěn)，無沖擊，同步性好，能夠自動達(dá)到功率平衡，由主機(jī)控制將3臺電機(jī)同時啟動。實現(xiàn)了軟啟動，軟停止。啟動過程中幾乎無沖擊，降低了電機(jī)的噪音和故障率。并且3臺變頻器運行電流相差均在1a以內(nèi)，實現(xiàn)了自動功率平衡調(diào)整。
(3) 變頻器自身保護(hù)功能完善，保護(hù)功能完美，動作靈敏可靠，大大加強(qiáng)了對電動機(jī)的保護(hù)。
(4) 節(jié)能效果明顯，大大降低了用電量，節(jié)約了電費。實際測量中，空載運行電流為15a，重載運行電流為40～50a。3臺電機(jī)每小時至少能節(jié)約電能270～350kw.h，按0.5/kw.h計算，一天運行20h，每年可減少電費支出100萬元左右。而在煤量不正常的情況下降頻使用，節(jié)能效果更加顯著。
很多用戶已經(jīng)對新柳礦的皮帶機(jī)改造成功表示了極大的興趣，大家一致認(rèn)為此新系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)皮帶機(jī)驅(qū)動的很多頑疾。

8 調(diào)試中遇到的問題及解決的辦法
在本項目中的調(diào)試中，遇到如下問題，需在今后的工程中注意：
(1) 由于在機(jī)械抱閘打開后才給vt710發(fā)出run指令，在vt710輸出轉(zhuǎn)矩之前，當(dāng)皮帶載煤較重的情況下，電機(jī)有被倒拖的現(xiàn)象，在某些時刻電機(jī)進(jìn)入第4象限特性而超出轉(zhuǎn)差控制范圍。而vt710為標(biāo)準(zhǔn)2象限產(chǎn)品，此時會偶爾發(fā)生無法啟動的問題，需重新復(fù)位。在此，經(jīng)討論提出幾種解決方案：
●采用vt710的預(yù)激磁模式，在抱閘松開前維持電機(jī)磁場，保證在抱閘松開時電機(jī)可以立刻輸出轉(zhuǎn)矩；
●采用vt710的0速轉(zhuǎn)矩控制模式，在抱閘松開前維持電機(jī)轉(zhuǎn)矩，但速度指令為0，而在抱閘松開后改變速度指令，電機(jī)可立即爬升。
●采用有雙pwm的vt710p變頻器，可4象限連續(xù)工作，能夠?qū)㈦姍C(jī)電能直接反饋到電網(wǎng)，可以滿足頻繁啟停并克服位能負(fù)載的下滑問題。在絞車、起重機(jī)等位能負(fù)載應(yīng)用時，必須采用vt710p。
鑒于皮帶倒拖問題并不十分明顯，且距離微小，現(xiàn)場采用了非常簡明的啟動延時方案，待逆止器頂住電機(jī)后再啟動vt710變頻器，避免了在4象限啟動的問題。
(2) 在初始運行時由于配電房通風(fēng)口未安裝濾網(wǎng)，而配電房恰巧正對煤堆，大量煤粉進(jìn)入vt710，堆積而導(dǎo)致了模塊短路。
(3) 運行初始階段，有時會出現(xiàn)串口通訊故障而無法自動復(fù)位，只能斷電復(fù)位的問題。經(jīng)日方專家在現(xiàn)場研究發(fā)現(xiàn)，vt710的串口通訊協(xié)議是依日本慣例采用全雙工485模式(4線制)，而皮帶集控廠家所采用的是半雙工485模式(2線制)，致使在通訊堵塞時vt710得不到串口復(fù)位指令。經(jīng)日本方面緊急修改軟件，解決了這個問題。
(4) 一般工業(yè)電器的輸入電壓波動標(biāo)準(zhǔn)是±10%，而煤礦由條件所限，電壓波動經(jīng)常超標(biāo)，因此，在vt710的設(shè)計中加入了此因素，使其達(dá)到±15%。

9 結(jié)束語
主井皮帶機(jī)是煤礦的中樞，采用vt710高壓變頻器的轉(zhuǎn)矩自動平衡控制模式，克服了原采用交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺陷，達(dá)到了理想的同步控制效果。是值得推廣應(yīng)用的好技術(shù)。

作者簡介
朱國華 男 現(xiàn)任現(xiàn)任汾西礦業(yè)集團(tuán)公司副總工程師。
李朝良 男 現(xiàn)任汾西礦業(yè)集團(tuán)公司副總工程師。

參考文獻(xiàn)（略）