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1、概述
    十三礦己3鋼纜皮帶機(jī)為電壓1140v、功率2×500kw四象限交流變頻拖動，主導(dǎo)輪直徑3.5米，運(yùn)輸能力500t/h，最大速度2米／秒，全長2280米，帶寬1米，具有良好的運(yùn)行特性，能實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，具有運(yùn)煤、運(yùn)人、驗(yàn)繩三種運(yùn)行速度。電控系統(tǒng)由唐山開誠電器制造，液壓站及盤式制動器由山東科技大學(xué)生產(chǎn)。
    在鋼帶機(jī)電控系統(tǒng)中，變頻器是設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵和核心，其運(yùn)行性能好壞直接影響到原煤和人員的安全運(yùn)輸。我礦使用的四象限變頻電控系統(tǒng)技術(shù)含量高，保護(hù)靈敏，節(jié)能，啟動平緩，制動可靠；本系統(tǒng)運(yùn)用了主動前端自換技術(shù)，脈寬調(diào)制斬波技術(shù)，矢量控制技術(shù)，自調(diào)整技術(shù)等，遵循了“五高”建設(shè)方針，即高起點(diǎn)、高技術(shù)、高質(zhì)量、高效率、高效益，突出效益優(yōu)先；同時技術(shù)先進(jìn)，可靠性高，擴(kuò)展與升級容易，具有故障自診斷功能，做到夠用、適用、好用、易擴(kuò)展，并充分利用了現(xiàn)有資源，在技術(shù)先進(jìn)的基礎(chǔ)上，做到經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
2、系統(tǒng)簡介
    在本系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是拖動系統(tǒng)，而變頻器又是拖動系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用無速度傳感器磁通矢量控制的變頻器拖動系統(tǒng)。
2.1本系統(tǒng)采用磁通矢量控制變頻器
    本系統(tǒng)變頻器采用SPWM磁通矢量控制方式。要實(shí)現(xiàn)精確的磁場定向矢量控制，則必須在異步電動機(jī)上安裝精密的測速裝置，但在井下鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)上安裝測速裝置是很困難的，同時會增加系統(tǒng)的維護(hù)量。SPWM磁通矢量控制的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動機(jī)的參數(shù)，按照一定的關(guān)系式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測，并通過控制電動機(jī)定子繞組電壓的頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流的指令值、檢測值達(dá)到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制。采用SPWM磁通矢量控制的變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，以保證在低頻運(yùn)行時額定轉(zhuǎn)矩的輸出。
2.2良好的散熱功能
    通用變頻器在國內(nèi)外以廣泛應(yīng)用，但由于大功率器件的散熱問題一直未能得到解決而沒有在
煤礦井下得到廣泛的應(yīng)用，此次研制生產(chǎn)的隔爆變頻器由于采用真空熱管散熱技術(shù)，很好的解決了
大功率器件的散熱問題，投入使用以來，效果很好。
2.3優(yōu)越的變頻軟起動、軟停止特性
    軟起動、軟停止特性是鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的首選目標(biāo)。鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時具有極大的慣性，起動加速度與停車減速度的值越大，在機(jī)械系統(tǒng)上儲存的能量就越大，而釋放這些能量就會對輸送機(jī)機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生極大的沖擊。變頻器的起動、停止時間是任意可調(diào)的，也就是說起動時的加速度和停車時的減速度任意可調(diào)，同時為了平穩(wěn)起動，匹配其具備的S型加減速時間，這樣可將鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)起停時產(chǎn)生的沖擊減至最小。
2.4平穩(wěn)的重載起動
    鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)在輸煤過程中任意一刻都可能立即停車再重新起動，必須考慮“重載起動”能力。另外由于采用SPWM磁通矢量控制控制方式，低頻運(yùn)轉(zhuǎn)可輸出1.5-2倍額定轉(zhuǎn)矩，因此最適于“重載起動”。
2.5  自動回饋制動
    當(dāng)系統(tǒng)處于負(fù)力運(yùn)行時能自動進(jìn)入回饋制動運(yùn)行狀態(tài)，將能量反饋到電網(wǎng)中，從而在負(fù)力提升的狀態(tài)下也能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的速度控制，又達(dá)到了節(jié)能的效果。
2.6實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速
    鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)是煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)主要組成部分，從最大限度的滿足安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度出發(fā)，驅(qū)動系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)運(yùn)人、運(yùn)料、驗(yàn)繩等多種速度，而且可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。變頻器可調(diào)整電機(jī)于5%-100%額定帶速范圍內(nèi)的任意帶速長期工作。并且在任意速度下均可提供額定轉(zhuǎn)矩。對應(yīng)于煤礦的特殊生產(chǎn)條件，有時，煤的產(chǎn)量是極不均勻的，當(dāng)然鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)煤量也是不均勻的，在負(fù)載較輕或無負(fù)載時，鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)行對機(jī)械傳動系統(tǒng)的磨損浪費(fèi)較為嚴(yán)重，同時電能消耗也較低速運(yùn)行大的多，但因生產(chǎn)的需要鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)系統(tǒng)又不能隨時停車。采用單獨(dú)的PLC控制系統(tǒng)對前級運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷、本機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷進(jìn)行分別測量，這樣可控制變頻器抑后降速或提前升速。此方案適于載荷不均的鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，可大大節(jié)約電能，同時降低鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備損耗，延長使用壽命。
    針對平煤十三礦鋼絲繩牽引膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)，不僅可以通過“運(yùn)行方式”選擇“運(yùn)煤”、“運(yùn)人”或“驗(yàn)繩”以達(dá)到不同的速度設(shè)定，還提供了無級調(diào)速接口以供現(xiàn)場需要進(jìn)行調(diào)速。
2.7可任意調(diào)整的加、減速度
    根據(jù)鋼絲繩牽引膠帶輸送機(jī)電力拖動的工作原理，要求起動平穩(wěn)，并可滿載起動。為減少機(jī)械沖擊與電機(jī)容量，要求加、減速度要小于0. 2m/s2；同時為防止起動時瞬時打滑，要求等加速起動。
    變頻器的加減時間可分別任意調(diào)整（0.1- 9999秒），故加減速度可以根據(jù)需要任意設(shè)定，滿足鋼絲繩牽引膠帶輸送機(jī)電力拖動的特殊要求。
2.8完善的保護(hù)和故障自診斷功能
    變頻器具有完善的保護(hù)功能，以保障電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。如：過壓、欠壓、過流、過熱、短路、接地、三相不平衡、缺相等保護(hù)功能，不僅能保留10次故障代碼，還能保存相應(yīng)的故障參數(shù)。
2.9針對煤礦采取特殊措施
    針對礦山應(yīng)用的特殊環(huán)境，隔爆變頻器除了在箱體結(jié)構(gòu)方面采取了相應(yīng)的防爆、防潮、防滴水措施外，在主回路方面盡量加大爬電距離與電氣間隙，在控制回路方面，所有的控制板均涂抹多遍三防漆。
2.10隔爆兼本安型PLC控制箱
    (1)膠帶邊緣線速度等同：本鋼絲繩牽引帶式輸送機(jī)系統(tǒng)采用兩臺電機(jī)驅(qū)動，為了保證系統(tǒng)內(nèi)的同步性能，首先要求兩臺電機(jī)應(yīng)同步啟停，在某一電機(jī)或驅(qū)動系統(tǒng)故障時能系統(tǒng)停機(jī)，同時為了使系統(tǒng)更好的工作，還應(yīng)盡量保證兩臺電機(jī)之間的功率平衡以及膠帶邊緣線速度等同。通過軸編碼器采樣膠帶邊緣線速度，由PI，C控制系統(tǒng)調(diào)整兩臺隔爆變頻器的速度給定及頻率給定增益，自動調(diào)整兩臺電機(jī)之間的微小速度差，實(shí)現(xiàn)兩驅(qū)動電機(jī)之間膠帶邊緣線速度等同。
    (2)兩機(jī)動態(tài)功率平衡：在保證膠帶邊緣速度等同的前提下，可以通過PLC控制系統(tǒng)采樣兩臺隔爆變頻器的電流值，再通過適當(dāng)調(diào)整兩電機(jī)的速度來使兩電機(jī)電流值逐步趨于平衡，這便形成了一個動態(tài)的功率平衡系統(tǒng)。
    (3)完成各種保護(hù)的控制；完成繩脫槽保護(hù)、帶脫槽保護(hù)、斷繩保護(hù)、乘人上下越位保護(hù)（兩極雙保護(hù)）、電機(jī)的溫度保護(hù)、煙霧保護(hù)、煤倉堆煤保護(hù)、超溫超塵灑水等保護(hù)功能。
    (4)實(shí)現(xiàn)液壓站油泵、潤滑站油泵的選擇及控制，根據(jù)油泵選擇及工作狀態(tài)，自動實(shí)現(xiàn)電磁閥的控制。
2.  11本質(zhì)安全型操作集控臺
    操作集控臺具有設(shè)備操作及顯示功能。設(shè)備操作，操作方式選擇、速度設(shè)定、肩停膠帶輸送機(jī)、可逆運(yùn)行等；在操作臺實(shí)時顯示兩臺電機(jī)的電流、電壓、速度、故障保護(hù)狀態(tài)顯示及控制（斷繩、上行下行越位、張緊狀態(tài)、煤倉堆煤、打滑、溫度等保護(hù)的顯示）。
    (1)操作方式：
    考慮到現(xiàn)場的需要及方便程度，本系統(tǒng)只分為正常操作方式和檢修操作方式，以便簡化用戶的操作。
    正常操作方式：此種方式用于正常生產(chǎn)運(yùn)人或者運(yùn)物，此時系統(tǒng)具有所有的保護(hù)功能，如繩脫槽保護(hù)、帶脫槽保護(hù)、斷繩保護(hù)、乘人時的越位保護(hù)等，以保證正常生產(chǎn)的要求。
    檢修操作方式：此種方式用于設(shè)備檢修或處理事故等工況下，此時系統(tǒng)除傳動系統(tǒng)的保護(hù)外，
其他保護(hù)均被旁路，因此這是一種非正常開車方式，以便檢修及處理事故時使用，最高限速為0.5m/s的速度。
    (2)速度設(shè)定：
    根據(jù)用戶現(xiàn)場的實(shí)際負(fù)載及工況要求，用戶可選擇“運(yùn)物”、“運(yùn)人”、“驗(yàn)繩”及“無級調(diào)速”四種調(diào)速方式，以適應(yīng)不同的負(fù)載情況。
2.12保護(hù)系統(tǒng)及傳感器
    由于本系統(tǒng)比較復(fù)雜，各種保護(hù)數(shù)量比較多，如果采用電纜直聯(lián)，不僅要耗費(fèi)較多的電纜、增加工程施工量，也不利于系統(tǒng)的檢修和維護(hù)。本系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線型網(wǎng)絡(luò)，只敷設(shè)一根三芯屏蔽電纜，形成總線型網(wǎng)絡(luò)，將所有的保護(hù)納入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，且對位顯示，便于維護(hù)和檢修。要注意的是，急停線、電源和通訊單獨(dú)敷設(shè)電纜。
    (1)本安型語言告警箱：
    在上下乘人區(qū)，均設(shè)立語言告警箱。開車前，語言告警裝置發(fā)出語音告警。
    (2)就地急停及啟動確認(rèn)按鈕：
    由于本膠帶輸送機(jī)傳輸距離比較遠(yuǎn)，現(xiàn)場工況又比較復(fù)雜。因此，在機(jī)頭、機(jī)尾和有關(guān)需要停機(jī)的地方設(shè)立就地操作點(diǎn)，設(shè)就地急停按鈕。急停按鈕為就地優(yōu)先，一旦發(fā)現(xiàn)問題，便于就地停車。同時，在此處還設(shè)啟動確認(rèn)按鈕，發(fā)出開車預(yù)警后，相應(yīng)地點(diǎn)進(jìn)行開車前的確認(rèn)工作，此確認(rèn)在操作臺屏上顯示位置，并進(jìn)入控制系統(tǒng)，與控制系統(tǒng)閉鎖。此信號發(fā)出后控制系統(tǒng)自保住，但是一旦開車，這個信號就被復(fù)位，以避免確認(rèn)信號長期有效造成的事故。這兩種按鈕信號通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)傳輸給控制系統(tǒng)。
    (3)超速保護(hù)及打滑保護(hù)：
    測速裝置：本安型軸編碼器
    兩臺本安型軸編碼器用來測量兩條鋼絲繩的速度（認(rèn)為是皮帶邊緣的速度），以保證兩條鋼絲繩速度的同步。同時，該速度值又參與到控制系統(tǒng)的保護(hù)回路中，完成超速保護(hù)及打滑保護(hù)的功能。
    (4)斷繩保護(hù)、繩脫槽保護(hù)、帶脫槽保護(hù)、沿線停機(jī)保護(hù)：
    本安型四大保護(hù)傳感器：每隔30米設(shè)保護(hù)傳感器一套（每套4臺），將保護(hù)傳感器就近接入現(xiàn)場總線型網(wǎng)絡(luò)中，通過網(wǎng)絡(luò)上傳到控制系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)報(bào)警停車。這種方法解決了以下問題：操作臺顯示屏顯示故障位置，便于檢修和維護(hù)；分別用開關(guān)量傳輸，解決了傳統(tǒng)電阻分段回路電阻值不準(zhǔn)確的問題；采用先進(jìn)的現(xiàn)場總線型網(wǎng)絡(luò)傳輸故障位置及狀態(tài)，解決了控制電纜芯線較多的問題。
    其中因乘人越位保護(hù)的重要，因此，上下各設(shè)兩級乘人越位保護(hù)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)越位的兩級保護(hù)，以保障人員的安全。
    (5)滿倉、堆煤保護(hù)：
    為了保證輸送機(jī)可靠地工作，在機(jī)尾給煤點(diǎn)設(shè)輸送機(jī)堆煤保護(hù)傳感器，在機(jī)頭煤倉設(shè)滿倉保護(hù)。
    (6)液壓站油缸漲緊保護(hù)：
    為了保證牽引鋼絲繩的張力，不使機(jī)尾繩落地，在機(jī)尾設(shè)置液壓自動張緊裝置。當(dāng)壓力下降到規(guī)定位置時開關(guān)動作，油泵自動啟動，壓力達(dá)到規(guī)定值自動停止，以保證輸送機(jī)的安全運(yùn)行。
3、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益
    平煤股份十三礦己3防爆變頻調(diào)速拖動鋼纜皮帶于2006年11月份開始安裝，2007年3月份試運(yùn)行，2007年6月正式投入運(yùn)轉(zhuǎn)，皮帶全長2288米，安裝傾角5度-8度。輸送機(jī)驅(qū)動裝置采用2×500KW電動機(jī)驅(qū)動(YB500-12)，總投資2000多萬，單從投資上講，成本比較高，但其維修費(fèi)用低，節(jié)約電能，如果安裝普通1米皮帶，則需7部，總功率為2100KW，己3鋼纜皮帶投入運(yùn)行以來，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
3.1經(jīng)濟(jì)效益
    (1)開機(jī)工作制：年工作300天，每天20小時，效率為80%
    應(yīng)用變頻調(diào)速四年節(jié)約電能為：
    (2100 -1000)×300×20×80%=528萬KW.h
    工業(yè)用電按0.5元/KW．計(jì)算，每年節(jié)約電費(fèi)為582萬xo．5—264萬元
    (2)己3防爆變頻系統(tǒng)投入運(yùn)行前，己三總機(jī)巷7部皮帶運(yùn)行需要10名司機(jī)，現(xiàn)在需要6名司機(jī)，每個崗位按系數(shù)1.5計(jì)算，一個班少用6人，三個班就是18人，大大節(jié)約了人力資源，其人均工資每月按2500元計(jì)算，則年節(jié)約工資：
    18×12×2500- 54萬元
    (3)己3鋼纜皮帶投入運(yùn)行以后，己1、己3兩個采區(qū)可同時生產(chǎn)，大大提高了運(yùn)輸能力，每天提高1500噸，噸煤售價按350元計(jì)，除去每噸成本270元，一年按300天計(jì)算，則每年增加凈利潤為：
    350 -270 -80元
    1500×80×300 - 3600萬元
合計(jì)每年的效益；N=264+54+3600=3918萬元
3.2社會效益
    己3鋼纜皮帶投入運(yùn)轉(zhuǎn)以后，完全滿足了己1、已3兩個采區(qū)原煤運(yùn)輸，工人可乘坐鋼纜皮帶出入工作場所，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度。由于本系統(tǒng)為全國第一套2×500KW防爆變頻調(diào)速拖動，為將來的更大功率變頻拖動的研制和應(yīng)用提供了現(xiàn)場實(shí)際使用的實(shí)例，創(chuàng)造了巨大的社會效益。