煤炭刮板機(jī)是煤礦的四大主要設(shè)備之一膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)的一部分（四大件即：空氣壓縮機(jī)、主排水泵、主通風(fēng)機(jī)、鋼絲繩牽引或膠帶輸送機(jī)）。神華集團(tuán)包頭某煤礦，礦區(qū)面積67.5453平方公里，礦井開采深度由1480米至940米，年產(chǎn)600萬噸。由于原刮板機(jī)液力耦合器傳動系統(tǒng)陳舊及維護(hù)啟動繁瑣，今采用匯川技術(shù)CM3000三合一變頻器進(jìn)行改造（此刮板機(jī)有三個驅(qū)動電機(jī)），拆除原液力耦合器系統(tǒng)，改造后使得系統(tǒng)操作簡便，幾乎免維護(hù)，提高了系統(tǒng)效率及電網(wǎng)功率因數(shù)且有一定節(jié)能效果，同時達(dá)到軟起和無極調(diào)速的目的，避免了直接啟動對電動機(jī)及刮板鏈的應(yīng)力，防止其斷裂。
一、設(shè)備工況介紹
刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力不受貨載的塊度和濕度影響，機(jī)身高度小，便于裝載，機(jī)身伸長或縮短方便，移置容易，機(jī)體堅固，能用于爆破裝煤的工作面，也能與采煤機(jī)和自移式液壓支架組成綜采工作面。因此在煤礦井下采掘工作面及機(jī)風(fēng)巷中得到廣泛應(yīng)用，成為礦井煤炭運(yùn)輸環(huán)節(jié)中必不可少的主要運(yùn)輸設(shè)備。刮板輸送機(jī)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，直接影響工作面的生產(chǎn)能力和進(jìn)度，對提高產(chǎn)量，具有極為重要的現(xiàn)實意義。
1、刮板機(jī)的運(yùn)行原理
刮板輸送機(jī)由機(jī)頭部（包括電動機(jī)、傳動裝置、鏈輪組件等）、機(jī)身部溜槽（包括中部槽、調(diào)節(jié)槽、連接槽）、刮板、鏈條、機(jī)尾部、以及裝于溜槽兩側(cè)的附屬裝置（包括擋煤板、鏟煤板、電纜槽）等組成
刮板輸送機(jī)是一種鏈傳動輸送機(jī)械，電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動主動鏈輪、改向鏈輪及鏈條實現(xiàn)環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)，將裝在溜槽中的煤運(yùn)到機(jī)頭處卸下。傳動過程中，鏈條在主動鏈輪和改向鏈輪上圍包形成多邊形，主動鏈輪勻速運(yùn)行時，鏈條和改向鏈輪呈周期性變化，因此運(yùn)行中存在周期波動及沖擊負(fù)荷，傳輸速度較低。
圖1、刮板機(jī)輸送機(jī)系統(tǒng)圖
圖2、綜采系統(tǒng)圖
2、刮板機(jī)的原啟動方式
煤礦現(xiàn)場刮板機(jī)為中煤張家口煤礦機(jī)械有限公司中雙鏈?zhǔn)饺?qū)刮板機(jī)，型號為SGZ1250/3000，驅(qū)動電機(jī)為3*1000KW，機(jī)頭兩電機(jī)一臺平行樣刮板機(jī)擺放，一臺垂直刮板機(jī)擺放，機(jī)尾一臺電機(jī)平行刮板機(jī)擺放。變頻器到機(jī)頭的動力電纜長度為300m*（3*95mm），到機(jī)尾的動力電纜長度為580m*（3*95mm）。
刮板輸送機(jī)多存在重載啟動，啟動過程中沖擊載荷對鏈條及鏈輪均造成較大的應(yīng)力作用，易造成設(shè)備啟動困難，常引起斷鏈及影響同線路其他設(shè)備正常運(yùn)行等事故的發(fā)生。為此刮板輸送機(jī)的啟動技術(shù)從傳統(tǒng)的直接啟動發(fā)展到軟啟動技術(shù)。
▲原刮板機(jī)啟動方式：
采用德國福伊特閥控充液式液力耦合器（TTT）啟動調(diào)速。
▲TTT驅(qū)動原理：
閥控雙腔調(diào)速型液力耦合器電動機(jī)帶動耦合器內(nèi)的泵輪轉(zhuǎn)動，從而帶動內(nèi)腔的水旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的水推動透平輪轉(zhuǎn)動，從而輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。
當(dāng)耦合器內(nèi)無液體時，透平輪不旋轉(zhuǎn)，輸出轉(zhuǎn)速為零。當(dāng)耦合器中的液體
達(dá)到額定充液量時，輸出額定的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。不同的充液量則會產(chǎn)生不同
的輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，由此實現(xiàn)軟起動，屬于液力傳動軟起動器。啟動時，控制注水電磁閥加水。運(yùn)行時，監(jiān)測液體溫度，控制液位，由于受冷卻系統(tǒng)的限制，不能長期低速運(yùn)行。
▲TTT驅(qū)動優(yōu)點：
能在空載時順利啟動電機(jī)
啟動轉(zhuǎn)矩從零平穩(wěn)增加到啟動力矩
工作中驅(qū)動負(fù)荷基本平衡
具有智能控制，可實現(xiàn)鏈條張緊及慢速之類的特殊模式
▲驅(qū)動結(jié)構(gòu)：
電動機(jī)-TTT-減速器-驅(qū)動鏈輪
▲原驅(qū)動結(jié)構(gòu)存在的問題：
重載時啟動電流大，啟動轉(zhuǎn)矩較小
電動機(jī)及鏈條承受較大的啟動應(yīng)力
對供水水質(zhì)水壓要求嚴(yán)格，維護(hù)成本高
原液耦維護(hù)操作繁瑣，效率低，功率因數(shù)低
故障率高，通過現(xiàn)場采集監(jiān)測，原TTT系統(tǒng)每30分鐘左右要
停機(jī)維護(hù)一次，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的效率
圖3 原液耦驅(qū)動結(jié)構(gòu)現(xiàn)場圖
系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)：
二、刮板機(jī)現(xiàn)場工藝介紹
刮板輸送機(jī)是綜合機(jī)械化采煤工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，它的作用一是把采煤機(jī)破碎下來的煤運(yùn)到順槽轉(zhuǎn)載機(jī)；二是作為采煤機(jī)行走的軌道以及液壓支架前移的支點。
刮板機(jī)的工藝要求：
要求大啟動轉(zhuǎn)矩及重載啟動能力
較強(qiáng)的過載能力及負(fù)載突變能力
三驅(qū)動電動機(jī)要求功率平衡
啟動時機(jī)尾先啟動，隔1~3秒再啟動機(jī)頭
可實現(xiàn)一機(jī)頭一機(jī)尾及一機(jī)頭兩機(jī)尾組合運(yùn)行控制
要求單機(jī)手動控制及聯(lián)機(jī)自動控制
煤礦31111工作面刮板輸送機(jī)機(jī)頭兩個驅(qū)動電機(jī)，機(jī)尾一個驅(qū)動電機(jī)，采煤機(jī)刮下的煤礦落到刮板機(jī)，然后通過轉(zhuǎn)載機(jī)經(jīng)破碎機(jī)送到運(yùn)輸皮帶機(jī)運(yùn)出礦井。現(xiàn)場運(yùn)輸皮帶機(jī)的運(yùn)輸速度為3.15m/s,帶寬1.2m，輸煤量為1000t/h，皮帶總長度2500m。設(shè)備布局
圖4 設(shè)備現(xiàn)場布局圖
三、高壓變頻驅(qū)動方案
1、改造內(nèi)容
取消原有液力耦合器系統(tǒng)，增加我司的一套三合一礦用防爆變頻器CM3000-DT1250G-WSD型高壓變頻器及一套變頻器外循環(huán)水冷系統(tǒng)，變頻器由含組合開關(guān)的干式移相變分別給組合變頻器供電（移相變?yōu)?0000/3300），一次系統(tǒng)圖
圖5 一次系統(tǒng)圖
用戶的后臺操作系統(tǒng)仍為原系統(tǒng)，操作臺PLC與變頻器之間采用硬線連接方式，提供給變頻器啟停命令、綜采系統(tǒng)故障停機(jī)命令等，反饋信號有刮板機(jī)運(yùn)行信號、刮板機(jī)停止信號等，通過4~20mA模擬量信號調(diào)速，驅(qū)動電機(jī)在0~50Hz范圍內(nèi)運(yùn)行。具體接口信息如下圖所示：
圖6 后臺端口通信圖
變頻器采用兩線式控制模式1，通過DI4、DI5兩個端口分別控制變頻器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，頻率給定采用4~20mA模擬量信號，對應(yīng)變頻器輸出頻率0~50Hz；
與高壓開關(guān)柜聯(lián)鎖信號：
變頻器DI信號：
2、系統(tǒng)操作流程為
先啟動皮帶機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)，啟動外循環(huán)水冷系統(tǒng)，給CM3000變頻器上高壓電，變頻器備妥后給啟動命令啟動刮板機(jī)，根據(jù)現(xiàn)場工藝要求，先啟動刮板機(jī)機(jī)尾電機(jī)，2s后啟動機(jī)頭2#電機(jī)，3s后啟動機(jī)頭3#電機(jī)，刮板機(jī)速到達(dá)到要工藝要求后，啟動采煤機(jī)開始采煤，綜采系統(tǒng)正常工作，停機(jī)時與啟動順序相反。由于礦井下的環(huán)境惡劣，濕度和粉塵很大，因此CM3000變頻器的控制電不允許掉電，系統(tǒng)控制圖如下：
圖7 控制框圖
3、變頻改造后的運(yùn)行效果
?啟動電流小，輕載情況下1/3額定電流，啟動過程對電網(wǎng)無任何沖擊
?大啟動轉(zhuǎn)矩，能重載啟動，且具備2倍/分鐘過載能力/10分鐘
?各驅(qū)動電機(jī)功率自平衡功能，使各電機(jī)等同出力工作
?通過參數(shù)設(shè)置，根據(jù)工藝要求，可靈活的進(jìn)行電機(jī)的啟動時序控制
?運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單，基本無需維護(hù)，解決了原液耦系統(tǒng)的高故障率
四、匯川技術(shù)高壓變頻方案優(yōu)勢
1、先進(jìn)的異步電機(jī)磁鏈閉環(huán)矢量控制算法
匯川技術(shù)CM3000系列高壓變頻器具備獨(dú)有的磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)，基于電機(jī)d-q軸數(shù)學(xué)方程式解析，通過對電機(jī)的磁鏈、電流進(jìn)行解耦，完成對磁鏈、電流閉環(huán)控制。從矢量控制最基層的角度全面掌握電機(jī)運(yùn)行曲線，實現(xiàn)了對電機(jī)的磁鏈閉環(huán)矢量控制。控制算法框圖如下：
圖8 矢量控制算法框圖
這種矢量控制算法在保持較高動態(tài)性能的基礎(chǔ)上，克服了轉(zhuǎn)子電阻、電感參數(shù)對調(diào)速系統(tǒng)性能的影響。對電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度高，加速時電流環(huán)響應(yīng)快，低頻運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)可達(dá)750rad/s，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更高的節(jié)電效率。磁鏈閉環(huán)矢量控制算法解決了擠出機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩大，加速大電流，穩(wěn)速精度高等高要求，保證了產(chǎn)線可靠運(yùn)行。
2、整機(jī)三電平技術(shù)及先進(jìn)的中點電位平衡控制技術(shù)
匯川技術(shù)CM3000變頻器利用二極管中性點箝位的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得每相輸出具有三個電平。通過檢測直流母線及中點的電壓進(jìn)行實時調(diào)整，保證中點電位平衡。從而達(dá)到控制精度好，響應(yīng)速度快，輸出波形效果好，功率密度高等效果。
根據(jù)礦井下空間有限的環(huán)境特性，CM3000變頻器采用緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計，體積小。為了滿足EMC的要求，變頻器輸入側(cè)采用多脈沖整流，對外圍設(shè)備無干擾，輸出電纜長度可達(dá)1500m；整機(jī)采用一體化接地系統(tǒng)，直接與專們設(shè)計的防爆殼鏈接，有效避免了外界對變頻器及變頻器對外圍設(shè)備的電磁干擾。完全滿足EMC的要求。中點鉗位技術(shù)的波形如圖9：
圖9 中點鉗位技術(shù)效果圖
3、下垂控制功能
匯川技術(shù)CM3000系列高壓變頻器具備功率自平衡的下垂控制功能。對于多驅(qū)動的刮板機(jī)而言，各驅(qū)動電機(jī)的功率平衡直接影響刮板機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)及驅(qū)動電機(jī)的壽命，匯川技術(shù)CM3000高壓變頻器的下垂控制功能，根據(jù)各驅(qū)動電機(jī)的實時運(yùn)行狀態(tài)，自動動態(tài)調(diào)節(jié)各驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速及電流，從而達(dá)到各驅(qū)動電機(jī)的功率平衡，使得負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行。現(xiàn)場調(diào)測時的輸出波形監(jiān)視圖如下：
圖10 現(xiàn)場三驅(qū)電機(jī)輸出波形圖
4、大啟動轉(zhuǎn)矩功能
匯川技術(shù)CM3000系列高壓變頻器具大啟動轉(zhuǎn)矩功能。150%/0.5HZ(開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制)啟動轉(zhuǎn)矩；180%/0HZ(閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制)啟動轉(zhuǎn)矩，當(dāng)系統(tǒng)意外停機(jī)后，通過大轉(zhuǎn)矩的啟動力矩，實現(xiàn)重載啟動，完全解決了原驅(qū)動系統(tǒng)啟動電流大，重載難啟動等一系列問題。并且CM3000變頻器具有2倍/分鐘的過載能力，10分鐘每次。啟動的輸出波形監(jiān)視圖如下：
圖11 啟動輸出波形圖
5、完善的水速冷系統(tǒng)
變頻器水冷系統(tǒng)包括CM3000的內(nèi)水冷系統(tǒng)和變頻器外循環(huán)系統(tǒng)，冷卻流程如下：內(nèi)循環(huán)去離子水流經(jīng)整流部分及逆變IGBT部分的散熱器，帶走開關(guān)器件的熱量，再通過水-水熱交換方式與外部冷卻水實現(xiàn)熱交換，外部冷卻水通過水泵驅(qū)動經(jīng)水-風(fēng)換熱器實現(xiàn)熱交換，最終將CM3000防爆變頻機(jī)芯殼體內(nèi)部熱量傳遞到外部環(huán)境中。內(nèi)部去離子冷卻水設(shè)有溫度、壓力、離子濃度與去離子水量保護(hù)功能。外部冷卻水設(shè)有溫度、壓力與液位保護(hù)功能，速冷系統(tǒng)圖如圖11、12所示。
圖12 內(nèi)水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
五、現(xiàn)場應(yīng)用圖片
圖13 變頻器現(xiàn)場應(yīng)用圖
六、結(jié)束語
近年來，煤礦行業(yè)的市場由于國家發(fā)展的轉(zhuǎn)型而不斷萎縮，如何以技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新為先導(dǎo)，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率是煤炭生產(chǎn)企業(yè)需要解決的迫切課題，同時也是國家對企業(yè)考慮的硬性標(biāo)準(zhǔn)。此次匯川技術(shù)CM3000系列高壓變頻器成功應(yīng)用在礦用刮板機(jī)上，也是匯川技術(shù)在不斷開拓新工藝點，推廣市場工藝型變頻設(shè)備征途的一個縮影。與此同時，作為國內(nèi)高壓變頻行業(yè)在礦用刮板機(jī)應(yīng)用上第一個吃螃蟹的廠家，這次成功應(yīng)用也證明了匯川技術(shù)CM3000系列產(chǎn)品的高性能與高可靠性。
匯川技術(shù)依托多年的自動化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗，對煤礦行業(yè)的變頻改造具有獨(dú)到的方案解決能力，之前推出的HD9X系列皮帶機(jī)及礦井提升機(jī)專用高壓變頻器也得到了客戶的一致好評。匯川技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器為采用矢量控制技術(shù)的高性能變頻器，產(chǎn)品適用于冶金、電力、化工、市政、橡膠等多個應(yīng)用領(lǐng)域，公司一直本著以用戶的實際需求來創(chuàng)造產(chǎn)品，給用戶提供最佳的控制方案為宗旨，在各行業(yè)得到用戶的一致認(rèn)可！
