一、引言：

皮帶機(jī)在煤礦的使用非常普遍。國內(nèi)現(xiàn)有大多數(shù)煤礦的皮帶輸送機(jī)電機(jī)一般都采用軟啟動裝置為液力耦合器或CST的(集變速箱，耦合器，電液控制為一體)來實現(xiàn)軟起動。這些設(shè)備雖然能部分解決皮帶機(jī)的軟啟動問題，運(yùn)行還是工頻拖動，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題目，造成皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行起來非常不經(jīng)濟(jì)；雖然這些設(shè)施可以實現(xiàn)一定軟起軟停，跟變頻相比還會有較大機(jī)械上劇烈沖擊，加速機(jī)械的磨損；還有皮帶、液力耦合器的磨損和維護(hù)等題目都會給企業(yè)帶來很大數(shù)額的用度題目。

隨著高壓變頻技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)調(diào)速設(shè)備的位置。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)效益都具有非常現(xiàn)實的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。

二、用戶簡介  崔家溝煤礦位于陜西銅川市西北40公里的杏樹坪地區(qū)。50—60年代礦部設(shè)在崔家溝，70年代后遷杏樹坪，故稱崔家溝煤礦。礦井鐵路專用線，引自梅七線安子溝車站，全長2．4公里。煤礦由崔家溝平硐、崔家溝、桃花洞、松山和杏樹坪斜井組成，設(shè)計年生產(chǎn)能力200萬噸。

崔家溝煤礦主斜井為三機(jī)雙滾筒皮帶機(jī)運(yùn)煤方式，單臺電機(jī)功率6kv、280kw，皮帶機(jī)由三臺電機(jī)拖動，電機(jī)配置在機(jī)頭，兩臺電機(jī)同軸安裝。 

主輸送帶單面帶長1080m，帶寬1m，輸送能力465噸/小時，三臺拖動電機(jī)同為280KW高壓電動機(jī)帶載。

現(xiàn)場采用雙滾筒帶載，1#電機(jī)與2#電機(jī)同軸安裝帶動1#滾筒，3#電機(jī)驅(qū)動2#滾筒。 滾筒驅(qū)動形式為：高壓電機(jī)帶動安裝于電機(jī)軸端的液力耦合器，當(dāng)電機(jī)軸達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，液耦一側(cè)與皮帶減速機(jī)連接，帶動減速機(jī)驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)。

高壓電機(jī)參數(shù)： 型號YJS400-6；頻率50HZ；功率280kW；電壓6000V；電流32.98A；額定轉(zhuǎn)速990r/m. 1．原電氣系統(tǒng)構(gòu)成： 系統(tǒng)原理圖

原現(xiàn)場電控部分外部6KV高壓進(jìn)線引致高壓配電柜（見圖9），高壓經(jīng)總進(jìn)線柜分配至三個控制柜（見圖12），由三個控制柜分別控制三臺電機(jī)。高壓控制柜由刀閘（見圖10）、高壓熔斷器，高壓接觸器（見圖11）組成。三臺電機(jī)高壓接觸器受原主控系統(tǒng)（見圖13）依1#-3#-2#方式啟動，啟動間隔2-3s。 2．原系統(tǒng)運(yùn)行中存在問題： a、工頻啟動，初始電流很大，為電動機(jī)額定電流的4～7倍。啟動瞬間電流會在啟動過程中產(chǎn)生沖擊，引起電動機(jī)內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力發(fā)生變化，對機(jī)械部分造成嚴(yán)重磨損甚至損壞。同時引起電網(wǎng)電壓的下降，造成現(xiàn)場啟動皮帶機(jī)時電網(wǎng)波動很大，數(shù)次出現(xiàn)上級高壓斷路器跳閘，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

b、液耦長時間工作時液體溫度升高，熔化金合塞，造成漏液，增大維護(hù)工作量，有些無法維修只能廢棄。

c、皮帶機(jī)的加載時間較短，引起皮帶張力變化，皮帶損傷嚴(yán)重，現(xiàn)場亦出現(xiàn)過皮帶扯斷現(xiàn)象，工人隔三差五就要進(jìn)行皮帶維修維護(hù)，工作量大（見圖15）。 d、現(xiàn)場皮帶機(jī)是長距離大運(yùn)量，單面長度1080m，滿載運(yùn)量465噸/小時，采用液耦驅(qū)動很難解決三臺電機(jī)驅(qū)動時的功率平衡問題。 針對原系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的諸多問題，礦方經(jīng)多方考察，最終選定選用榮信股份生產(chǎn)的高壓變頻器對原皮帶機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造。  變頻改造前用戶要求： a、因此項目屬改造項目，為了確保在改造過程中對生產(chǎn)影響最小，礦方?jīng)Q定三臺液力耦合器暫保留使用，后期逐步拆除。 b、保留原系統(tǒng)工頻運(yùn)行方式，實現(xiàn)變頻運(yùn)行故障時，能及時切至原系統(tǒng)運(yùn)行模式。 三、榮信高壓變頻簡介   1）遼寧榮信電氣傳動技術(shù)有責(zé)任公司簡介 遼寧榮信電氣傳動技術(shù)有責(zé)任公司隸屬于榮信電力電子股份有限公司，是國家發(fā)展計劃委員會設(shè)專項資金建設(shè)的專業(yè)從事節(jié)能、安全大功率電力電子成套裝置研究開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計、裝備制造和客戶服務(wù)的國家級高新技術(shù)企業(yè)。

公司坐落于國家級高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)—遼寧鞍山高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，占地面積180000m?，建筑面積160000?；擁有現(xiàn)代化的科研大樓、標(biāo)準(zhǔn)廠房、整機(jī)設(shè)備生產(chǎn)線、66kV高壓變電站、SVC專用高壓全載中心、高壓變頻專用全載試驗中心、VFS專用全載試驗中心等設(shè)施。

榮信建立了生產(chǎn)一代、儲備一代、開發(fā)一代、規(guī)劃一代的良性循環(huán)的創(chuàng)新戰(zhàn)略管理機(jī)制，具有原始創(chuàng)新能力，已獲得30余項國家專利和10項軟件著作版權(quán)，目前已成為安全、節(jié)能大功率電力電子專業(yè)領(lǐng)域市場供應(yīng)商的領(lǐng)導(dǎo)者，整體實力居國內(nèi)同行業(yè)之首。公司技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用成熟的高壓產(chǎn)品，已實現(xiàn)替代進(jìn)口裝置，實現(xiàn)了大型裝備國產(chǎn)化。

公司是從事節(jié)能大功率電力電子成套裝置研究開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計、裝備制造和客戶服務(wù)的國家級高新技術(shù)企業(yè)。具有實質(zhì)性的發(fā)展，主要產(chǎn)品為高壓變頻器、直流輸電設(shè)備、特種電源設(shè)備等具有高技術(shù)含量的電力電子設(shè)備，產(chǎn)品為節(jié)能效果顯著，完全符合國家發(fā)展政策。

振興民族裝備制造業(yè)，成為受社會尊重的有國際競爭力的公司是榮信電氣傳動矢志不渝的追求目標(biāo)。自強(qiáng)不息，厚德載物是榮信電氣傳動公司的企業(yè)靈魂。公司愿與用戶一道以先進(jìn)的技術(shù)、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，永恒的服務(wù)，為潔凈電網(wǎng)、為企業(yè)節(jié)能降耗、安全運(yùn)行及優(yōu)化控制做出貢獻(xiàn)。

四、榮信高壓變頻器特點 

榮信RHVC系列高壓變頻器是采用目前國際上先進(jìn)的IGBT功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)及超導(dǎo)熱管散熱技術(shù)研制而成的系列高壓電機(jī)節(jié)能調(diào)速產(chǎn)品。具有高效節(jié)能、高功率因素及高可靠性等特點，結(jié)束了傳統(tǒng)方法造成的能源和人力的浪費(fèi)，延長了電機(jī)水泵等設(shè)備的使用壽命，方便了機(jī)組的保養(yǎng)和維護(hù)。產(chǎn)品的整體技術(shù)性能居世界同期先進(jìn)水平。

榮信RHVC系列高壓變頻器不僅適用于風(fēng)機(jī)、水泵、皮帶機(jī)等單象限運(yùn)行負(fù)載，還適用于提升機(jī)、軋鋼機(jī)、造紙機(jī)、機(jī)車車輛牽引等四象限運(yùn)行負(fù)載。

榮信RHVC系列變頻器采用IGBT變頻功率單元串聯(lián)多重化疊加技術(shù)，屬于高－高電壓源型變頻器，高壓直接輸入輸出，無需輸出變壓器，效率高，輸出頻率范圍寬。榮信RHVC系列高壓變頻器主要由功率柜、移項變壓器柜和旁路柜（選配）組成。

榮信RHVC系列變頻器實現(xiàn)了電機(jī)的軟起動，起動電流小，而且可以連續(xù)調(diào)速，選擇最佳速度，還可根據(jù)用戶的速度曲線圖完成自動控制，既節(jié)約了能源，又提高了生產(chǎn)效率。

榮信RHVC系列變頻器可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的不同要求，采用光纖通訊技術(shù)，使系統(tǒng)抗電磁干擾的性能增強(qiáng)，運(yùn)行更加安全可靠。

RHVC高壓變頻器是由榮信公司研發(fā)和生產(chǎn)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，適合國內(nèi)電網(wǎng)特性，符合國內(nèi)用戶使用習(xí)慣的調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)為電壓源型高壓變頻器，具有運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、輸出波形好、輸入電流諧波低、功率因數(shù)高、效率高等特點，對電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變小于4%，完全滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，不必采用輸入諧波濾波器，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，即可驅(qū)動普通的異步電機(jī)。

2）榮信高壓變頻器主回路。

榮信RHVC系列高壓變頻器的主電路如圖17所示。通過主電路圖，我們可以更加直觀的了解變壓器的副邊繞組與功率單元以及各功率單元之間的電路連接方式：具有相同標(biāo)號的3組副邊繞組，分別向同一功率柜（同一級）內(nèi)的三個功率單元供電。第一級內(nèi)每個功率單元的一個輸出端連接在一起形成星型連接點，另一個輸出端則與下一級功率單元的輸出端相連，依此方式，將同一相的所有功率單元串聯(lián)在一起，便形成了一個星型連接的三相高壓電源，驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)行。

HVC高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出,高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；精確的故障報警保護(hù)；具有電力電子保護(hù)和工業(yè)電氣保護(hù)功能，保證變頻器和電機(jī)在正常運(yùn)行和故障時的安全可靠。

3）電壓疊加原理。 每個功率模塊分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法，實現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的，即使在電動機(jī)電流出現(xiàn)不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達(dá)到理想的諧波抵消效果。當(dāng)電網(wǎng)電壓為6kV時，變壓器的副邊輸出電壓即功率單元的輸入電壓為690V，每個功率單元的最高輸出電壓也為690V，同一相的五個單元串聯(lián)后，相電壓為690V?5=3450V，由于三相連接成星型，那么線電壓便等于1.732?3450V≈6000V（見圖19），達(dá)到電網(wǎng)電壓的水平。

功率單元串聯(lián)后得到的是階梯正弦的PWM波形，如下圖所示。這種波形正弦度好，du/dt小，可減少對電機(jī)和電纜的絕緣損壞，無需輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電動機(jī)也不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時，電機(jī)的諧波損耗也大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動，減小了軸承和傳動部分的機(jī)械應(yīng)力。如圖分別為實測的高壓變頻器輸出電壓波形和電流波形。

 4）高壓變頻器功率單元。

功率單元是組成高壓變頻器的最小單位。高壓變頻器每個功率單元采用模塊化設(shè)計，在結(jié)構(gòu)和電氣性能上完全一致，可以通用互換。功率單元的基本拓?fù)錇榻弧薄蝗嗾?單相逆變電路，其主回路如下圖所示。

功率單元主要由整流電路、逆變電路、控制電路、驅(qū)動電路、故障檢測電路、通訊電路、指示電路等組成。

功率單元的整流電路將變壓器副邊繞組提供的三相交流電源整流為脈動的直流電源，經(jīng)過大容量的電力電容濾波后，可以得到穩(wěn)定的直流電源。通過對IGBT組成的逆變橋進(jìn)行正弦調(diào)制的PWM控制，可得到等效正弦的單相交流輸出。

IGBT等功率器件的散熱采用先進(jìn)高效的散熱技術(shù)，大大提高了功率器件的工作安全可靠性。另外，每個功率單元都能顯示自己的工作狀態(tài)和故障信息等。當(dāng)功率單元發(fā)生故障后將會向控制系統(tǒng)發(fā)出信號，控制系統(tǒng)將會及時的處理。

2．增加旁路柜，確保變頻器故障時，能及時切入原系統(tǒng)，保障生產(chǎn)不受影響。

采用旁路柜與變頻器結(jié)合，系統(tǒng)變頻運(yùn)行時，合旁路柜QS1，QS2刀閘，操作臺切換至變頻運(yùn)行，皮帶機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入變頻運(yùn)行模式；系統(tǒng)工頻運(yùn)行時，合旁路柜QS3刀閘，操作臺切換至工頻運(yùn)行，皮帶機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入工頻運(yùn)行模式。

3．操作及監(jiān)控一體化，應(yīng)用新集控平臺對老主控系統(tǒng)進(jìn)行改造。

4.改造后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

五、現(xiàn)場變頻改造情況 此次變頻改造選用榮信股份3臺RHVC4-A06/400-T型高壓變頻器，額定電壓6kV，額定電流38A，額定功率400kW。

我公司RHVC系列變頻器實際應(yīng)用后，具有以下特點: 1．真正實現(xiàn)了皮帶機(jī)系統(tǒng)的軟起動，實現(xiàn)了無級平滑調(diào)速，可在靜態(tài)或動態(tài)任意調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)行平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)差沖擊。運(yùn)用變頻器的軟起動功能，將電機(jī)的軟起動和皮帶機(jī)的軟起動合二為一，通過電機(jī)的慢速起動，帶動皮帶機(jī)緩慢起動，將皮帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，使皮帶機(jī)在起動過程中形成的張力波極小，幾乎對皮帶不造成損害。

2．實現(xiàn)了皮帶機(jī)三臺電機(jī)驅(qū)動時的功率平衡。變頻器對皮帶機(jī)進(jìn)行驅(qū)動時，采用一拖一控制，三臺電機(jī)驅(qū)動，采用主從控制，實現(xiàn)功率平衡?，F(xiàn)場主井皮帶為3?280KW電機(jī)驅(qū)動，采用主從控制后，輕載時主從電機(jī)電流相差小于3A，滿載時相差2A左右。基本實現(xiàn)了皮帶機(jī)三電機(jī)驅(qū)動時的功率平衡。

3）降低皮帶帶強(qiáng)。采用變頻器驅(qū)動之后，由于變頻器的起動時間可調(diào)，通常皮帶機(jī)起動時間在50s～200s內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場需求設(shè)定，皮帶機(jī)的起動時間延長，大大降低皮帶引力強(qiáng)度，延長了皮帶壽命。

4）降低設(shè)備的維護(hù)量。利用變頻器的軟起動功能實現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟起動，起動過程中對機(jī)械基本無沖擊，也大大減少了皮帶機(jī)系統(tǒng)機(jī)械部份的檢修量，同時，變頻調(diào)速因?qū)崿F(xiàn)了皮帶機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，工人在檢查皮帶及維修皮帶都在機(jī)頭位置，低速運(yùn)行可及時發(fā)現(xiàn)問題，隨時停車進(jìn)行維修維護(hù)，避免在工頻運(yùn)行時即便看到故障點，緊急停車，皮帶也會因慣性超出維修區(qū)域，造成工作不便。

5）變頻器采用矢量控制，輸出轉(zhuǎn)矩可控；可低速運(yùn)行，動態(tài)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)速精度高；加速度特性好抗負(fù)載突變能力強(qiáng)，啟動平滑，轉(zhuǎn)矩大，諧波含量少，沒有沖擊電流，可實現(xiàn)重載啟動。此功能的實現(xiàn)，解決了現(xiàn)場以前在皮帶滿載停機(jī)后，設(shè)備難以啟動，造成高壓系統(tǒng)過流，上級斷路器跳閘，現(xiàn)場遇到此問題只能人工卸煤，減少皮帶載煤量，但是往往延誤生產(chǎn)，人員勞動強(qiáng)度大大增加。

六．結(jié)束語。 

原系統(tǒng)在實際運(yùn)行中明顯存在能耗大，效率低，運(yùn)行可靠性差等特點，進(jìn)行變頻改造后系統(tǒng)效率明顯提高，有功功率增加，節(jié)電率約在15%左右，設(shè)備維護(hù)量降低，可靠性提高，用戶評價良好，未出現(xiàn)較大故障及安全事故，保障了煤礦的安全正常生產(chǎn)。 隨著高壓變頻器技術(shù)的進(jìn)一步提高，產(chǎn)品的可靠性及穩(wěn)定性增強(qiáng)，同時響應(yīng)國家創(chuàng)建節(jié)約型社會的號召，高壓變頻技術(shù)將越來越多的應(yīng)用于煤礦行業(yè)，為企業(yè)節(jié)能增產(chǎn)做出積極貢獻(xiàn)。