高压永磁变频调速一体机在煤矿井下胶带机中的应用_陈祯.pdf

高压永磁变频调速一体机在煤矿井下胶带机中的应用陈祯(国能鄂尔多斯市工程设计有限公司，内蒙古鄂尔多斯017209)摘要:高压永磁同步变频调速一体机是将高压变频器、高压永磁同步电动机集成的设计，将永磁技术与电动机多极技术结合，实现了电机的低速直驱，省掉了变速传动环节，传动形式简单。将高压永磁变频调速一体机应用于煤矿井下胶带机后，不仅降低了噪声污染，还减少了维护量，保证了煤流线的正常运转。关键词:变频调速;一体化;胶带机;改造方案中图分类号:F4063;TD6341文献标识码:B文章编号:10080155(2023)02012403可靠的带式输送机是煤矿主运输系统的有效保障。近年来，煤矿井下采掘及配套设备逐步智能化，提高煤矿带式输送机的整体性能已成为大势所趋。永磁变频调速一体机技术发展迅速，与传统的液力耦合器软启动(CST)方式对比，具有高效节能、低噪声、低转速、大转矩、结构简单、传动效率高、安装简便、维护成本低等特点。本文介绍了永磁变频调速一体机的性能特点、主要技术参数和在三道沟煤矿主运带式输送机上的应用。随着矿井智能化水平的提高和节能降耗的需求，永磁一体机的应用范围越来越广泛。目前，永磁驱动领域有永磁一体机驱动和变频器、永磁电机驱动两种方式。1 带式输送机采用永磁变频调速一体机驱动技术优势11 供电简单易于改造直接采用高压供电，省掉了变压器，供电方式简单。一体机基于原来的供电系统，整体结构布置紧凑。原有胶带机驱动在改造时调整了供电系统，实现了原驱动方式的无缝更替。12 驱动配置结构简单永磁一体机驱动带式输送机的直驱与驱动滚筒连接，省去了传动机构，减少了传动装置，实现了输送机系统的无齿轮传动，简化了驱动配置，降低了施工难度，缩短了施工时间。13 系统传动高效率从电机本体来看，永磁同步电机的特性效率曲线比异步电机轻载时效率要高，在节能方面比异步电机更具优势。永磁同步一体机在全速度范围内具有较高的效率和功率因数，而异步电动机在低速段和高速段时的功率因数和效率都会降低。14 系统可靠性高从供电系统来看，无需屏蔽一体机供电电缆，无电缆路径上的辐射干扰，电缆和铺设成本更低。一体机将变频器和电机集中在一起，实现了变频器到电机的“零距离”，彻底消除了变频器长距离供电电压尖峰对电机绝缘寿命的影响。省去了可靠性不高和维护量大的 CST 或减速机;减少了传动环节，减少了故障点，大大提高了传动系统可靠性。15 节省安装空间高压永磁电机与高压变频器和变压器为集成一体化设计，减少了变频器、变压器等占用的空间，节省了安装的空间。采用一体机驱动极大地简化了驱动配置，减少了安装空间。从以上几方面来看，配电硐室、驱动硐室的矿建工程量可大大减少。16 保护功能完善永磁同步一体机对变频器具有完善的保护功能，也可以对电动机进行妥善的保护:实时监测电动机前后轴承、电动机三相绕组等温度，具备电动机轴承振动检测的功能、检测值的超限报警和停机保护功能，保护参数可设置1。2 保护功能实现21 完备的温度保护可以实现电机部分的定子温度检测、前后轴承检测、变频部分功率模块检测，同时具有腔体温度和湿度检测功能。永磁一体机还具备电机轴承振动检测的功能，符合 煤矿安全生产标准化管理体系基本要求及评分办法 对轴承振动检测的规定。所有温度信息直接421DOI:10.13487/ki.imce.023219汇总至一体机内部的主控单元，根据设定的保护值进行温度保护，在不通水的情况下也不会损坏任何器件。22 电机保护功能一体机内部配置线性光耦隔离的高压检测器件和LEM 电流传感器，实时检测电压和变频器输出至电机的三相电流，实现输出过压、输出欠压、输出过流、电机接地、电机缺相、电机短路等保护。23 变频器保护功能变频器具备母线过压、母线欠压、驱动过流、IGBT短路、系统漏电闭锁、输出缺相、输出过载等保护功能。24 基于实际负载的二级保护功能胶带输送机运行时的实际负载可能小于配套电机的额定负载，如果实际运行时只按照额定的参数设置进行保护，会导致保护不精确、不及时。控制系统设置二级保护系统，根据现场运行时的实际负载，增加过载、功率不平衡等保护，且保护值可设定。不同等级保护值设定的保护密码等级不同2。25 胶带输送机的打滑保护胶带输送机在启动和运行过程中难免出现打滑现象。出现打滑现象后，滚筒负载会瞬间降低，采取常规的功率平衡算法反而需要加速控制，使打滑更加严重，增加胶带和滚筒的磨损程度。通过驱动滚筒力矩的变化判断打滑的状态，一旦滚筒出现打滑现象，立即取消 PID 速度调节功能，使打滑的滚筒转速与另外一台驱动滚筒保持完全一致，待打滑现象消失后，再使用速度调节功能。26 智能化和自动化程度高永磁一体机具有完善的数据监测作用，具备本地控制、外部控制、远程控制等多种控制方式，具备输送机煤量监测、根据煤量自适应调速功能，符合各地煤矿智能化建设对智能运输系统的要求3。3 胶带机应用高压永磁变频调速一体机改造方案31 改造方案目前，三道沟煤矿主井两部带式输送机(型号:DTL160/380/31000+11000)的设计运输能力为 Q=3800t/h，运输距离 L=5190m，带宽 B=1600mm，带速V=45m/s，整机功率 W=31000kW+11000kW，电机采用 10kV 直供电，驱动方式为机头三驱机尾一驱;启动方式为 CST 软启动，巷道倾角 a=01719 05。随着矿井开采接续矿井智能化改造，计划对主运输系统进行延伸升级改造。主井两部胶带机升级改造后的整机参数要求如下:带宽 B=1600mm，运量 Q=3800t/h，速度 v=4850m/s，运输距离 L=7000m;驱动方式拟采用机头三驱中部三驱尾部(以实际设计方案为准);启动方式为变频启动。升级改造后的整机配套驱动设备拟采用高压(10kV 直供电)变频(永磁)一体机，三套位于机头，三套位于中部，配置快装蛇簧联轴器;拟采用变频张紧装置;拟采用不锈钢托辊。改造方案如图 1 所示，根据设计计算，胶带机整机功率为 6000kW，驱动方式为机头三驱、中部三驱、永磁同步变频一体机驱动，中部驱动位置距胶带机机头3912m。矿用隔爆型三相永磁同步变频电机的技术参数如下:功率 1000kW，电压 10kV，额定转速 60r/min，额定扭矩 159167Nm，中心高 900mm。配套 6220T05型快拆冷装蛇形簧联轴器，技术参数如下:公称转矩336000N m，最大轴孔 400mm。拉紧装置 更换为ZLY03600 型自控液压拉紧装置4。图 1胶带机示意图方案采用 6 台 TYJVFT900L180(1000/10000)型矿用隔爆兼本质安全型高压永磁同步变频调速一体机(以下简称永磁一体机)替换原驱动系统的高压电机和 CST 传动系统，永磁一体机直接与驱动滚筒连接，驱动连接形式简单，传动环节的减少，减少了系统的故障点，提高了安全性和可靠性。驱动系统机头安装 3台永磁一体机、1 台控制箱、3 台水冷系统和皮带机集控系统，在 3900m 的中驱位置安装 3 台永磁一体机、1台控制箱、3 台水冷系统。机头控制箱与中驱控制箱采用光纤通信，实现数据交互和功率平衡调节。机头控制箱与集控系统通过开关量节点实现启停或连锁控制。驱动系统如图 2 所示。图 2驱动系统图32 系统供电永磁一体机供电。每台永磁一体机需要外供10kV 电源，建议每台永磁一体机采用一台高防开关供电，以便对每台永磁一体机进行单独的供电控制。永521磁一体机额定电流为 63A，建议选用 MVFP6/10 325+316/3 电缆，其 25时的额定载流量为 110A，完全满足载流量的要求。可编程控制箱供电。可编程控制箱采用 2 相127VAC 交流电源供电，可直接通过井下照明综保的127V 电源供电。控制箱与输送机集控台之间的控制电缆推荐选用 MHYVP 2*2*42/015 屏蔽双绞线。水冷系统供电。风水交换冷却系统采用三相660/1140V 交流电源供电，皮带机目前的供电电源大多是 660V 或 1140V，冷却系统电压等级与张紧系统电源同一电压等级即可。冷却系统内部自带真空磁力启动器，只需外供 660/1140V 电源即可，磁力启动器由控制箱控制实现冷却系统的启停。冷却系统的总容量10kW。33 系统冷却永磁一体机的变频器与永磁电机水道采用独立冷却设计，永磁电机的冷却水道与变频器的冷却水道通过高压胶管直连，外部直接采用一路冷却水即可满足永磁一体机的散热要求。选用井下直供水冷却，如果供水不方便或水质较差，可选配中加特的风水交换冷却系统提供封闭式冷却。选用 CSLQ06 型风水交换冷却系统，每台水箱可为一台 1000kW 的永磁一体机提供冷却水。一体机的回水通过风冷散热器散热后回到水箱，循环系统为封闭循环，可以保证水质，避免水道被堵塞5。34 系统控制永磁一体机由可编程控制箱通过 CAN 总线控制实现启停、加减速、速度调节、功率平衡调节、保护功能，如图 3 所示。控制箱接受皮带集控系统的命令控制，将集控系统的控制信号转化为通信信号，进而控制一体机的运行。控制箱兼容各厂家集控系统的控制逻辑，能够无缝融入集控系统，无需改变用户的操作习惯。图 3系统控制图4 应用节能分析胶带输送机在运转时主要克服托辊的动摩擦力做功，负载大小与胶带输送机速度无关，因此胶带输送机的负载类型可被认为是恒转矩负载。胶带输送机采用永磁一体机驱动，主要从以下几方面节约电能:提高电网功率因数，降低无功功率在电网的热损耗节能;省掉液力耦合器、CST 等中间驱动环节，提高功率传递效率节能;胶带输送机运行时调速节能;变频器启动电机时无冲击电流，降低电机损耗节能。5 结语胶带输送机工作时受到煤量的影响，负载会随时变化。胶带输送机电机的平均运行功率在额定功率的50%左右。电机的功率因数为 07。胶带输送机采用液力耦合器等驱动时不调速。驱动方式的平均工作效率为 85%左右。永磁一体机驱动省掉了此环节，工作效率为 96%。因此，永磁一体机驱动相比液力耦合器等其他驱动方式可节省电能 11%左右，延长了设备的使用周期，提高了使用效率。参考文献:1 何周柱胶带输送机变频驱动的智能化改造研究 J 内蒙古煤炭经济，2022(11):4951 2 王博，王彬发大功率永磁变频一体机在带式输送机中的应用研究J 机械管理开发，2021，36(11):203204+210 3 门日圆矿用隔爆型永磁同步变频调速机的设计研发 J 机械研究与应用，2019，32(06):138140 4 高津津永磁同步变频调速一体机在煤矿下运胶带机的应用 J 中国科技信息，2019(24):4849 5 徐孝，孟巧荣，王定龙带式输送机变频张紧装置调速系统设计 J 煤炭技术，2019，38(10):169172作者简介:陈祯(1986)，男，河北张家口人，本科，工程师，从事煤矿井下运输、给排水、压风、注浆、注氮、抽采瓦斯等设计工作。621