打开文本图片集

摘要：针对潞安矿业常村煤矿原有刮板输送机驱动系统技术方案在实际使用中出现的突出问题，提出了采用深圳库马克新技术股份有限公司高压独立组合变频技术的改造技术方案，并在S5-13工作面进行了实施，经过此工作面从始至终的运行验证，效果良好，总结了高压独立组合变频技术在刮板输送机驱动系统应用的特点与优势，供同行及寻求刮板输送机驱动系统技术改造的单位参考借鉴。

关键词： 高压独立组合变频 12脉波整流 wifi 刮板输送机

1.概述

山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿位于山西省长治市屯留县，井下采煤工艺全部为机械化综放，刮板输送机作为机械化综放采煤工艺的关键设备，其自动化与智能化水平直接影响煤矿的生产效率。原刮板输送机驱动系统采用组合开关+双速电机的方式，随着防爆大功率变频调速技术的发展，此种方式所存在的不足日益显著，严重阻碍了我矿智能化综采工作面的建设步伐。2018年，对刮板输送机驱动系统的改造技术方案进行了深入研究讨论，最终决定采用先进成熟的深圳库马克新技术股份有限公司建议的高压独立组合变频技术方案，并在S5-13综放工作面前、后刮板输送机上实施。该方案极大的提高了综放工作面刮板输送机的自动化与智能化水平，保证煤矿安全生产、降低煤矿工人劳动强度、提高了生产效率。

2.原有刮板输送机驱动系统及存在的问题

常村煤矿原有刮板输送机驱动系统采用组合开关+双速电机的技术方案，典型的组成如21采用组合开关+双速电机的刮板机驱动系统主回路电路图，组合开关通常选型四组合，双速电机通常选型YBSD系列矿用隔爆双速三相异步电动机。四组合开关内设计了两组有电气互锁关系的真空电机启动器，每一组具有电气互锁关系的真空电机启动器分别与双速电机的高速、低速绕组连接。四组合开关可同时控制机头与机尾电机。此技术方案的特点是低速启动，高速运行。YBSD系列矿用隔爆双速三相异步电动机具有2个独立的定子绕组，一个按照4极电机进行设计，另一个按照8极电机进行设计，这样就形成了高速同步速1500rpm和低速同步速750rpm两个速度等级的电机。该双速电机两个绕组的额定电压相同，高速绕组运行时电机额定输出功率是低速绕组运行时电机额定输出功率的2倍，高速绕组运行时电机的功率因数在0.85左右，低速绕组运行时电机的功率因数在0.5左右。采用低速绕组直接启动时电机的启动电流比采用高速绕组直接启动时要小，电机的启动力矩比采用高速绕组直接启动时要大。例如图2-1中某厂家制造的YBSD-700/350-4/8G，厂家数据规格书显示，低速绕组直接启动时堵转转矩与额定转矩比值为2.5，高速绕组直接启动时堵转转矩与额定转矩比值为2.3，低速绕组直接启动时堵转电流与额定电流比值为5.0，高速绕组直接启动时堵转电流与额定电流比值为6.0，低速绕组的额定电流为108A，高速绕组的额定电流为152A。

2-1采用组合开关+双速电机的刮板机驱动系统主回路电路图

此技术方案的启动过程为：在组合开关人机界面给出启动命令后，组合开关闭合KMWD真空启动器，机尾电动机启动，在设定的延时时间结束后，组合开关闭合KMTD真空启动器，机头电动机启动，此时刮板输送机完成启动。此后，组合开关按照时间原则、电流原则及速度原则等逻辑控制方法，在刮板机低速运行一段时间后，控制KMWD和KMTD两个真空启动器断开，控制KMTG和KMWG两个真空启动器闭合，刮板机完成低速到高速的切换，高速方式运行。

此技术方案存在的问题，电动机直接启动，启动电流依然不小于额定电流的5倍，给井下供电电网带来强大的电气冲击，影响其他用电负载;同时电动机直接启动带来机械冲击，造成机械磨损很大，影响刮板输送机的使用寿命;电动机直接启动，刮板机压溜时、断链情况时有发生;在刮板输送机负载较重时，当超过切换点高速电机能够提供的力矩时，这会导致切换失败，只能低速运行，不能高速运行，而低速运行电机功率因数很低，造成电能的浪费;机头电机与机尾电机不能够实现负载平均分配，不能充分发挥刮板输送机的输送能力;保护不够完善，组合开关真空启动器与电机故障率很高;刮板机无法以需要的检修速度运行。这些问题的存在严重阻碍了我矿生产效率与产能的提升，必须尽快解决这些问题。

3.高压独立组合变频技术方案与特点

3.1.高压独立组合变频技术方案

2018年，常村煤矿原有的组合开关+双速电机的刮板输送机驱动系统技术方案已经不能满足高产高效的需求，开展了刮板输送机驱动系统技术方案的选型，经过考察及论证，决定S5-13综采工作面采用先进成熟的高压独立组合变频技术方案，如图31所示，该技术方案的突出优势是放置于一台组合壳体内的2台变频器之间完全相互独立，互不影响，一台变频器以一拖二方式分别给刮板机2台电动机供电，既完全独立又组合于一体，高可靠性、高功率密度;能够实现一台组合变频器拖动2台电机的功能。防爆壳体内的两台变频器，有各自独立的整流回路和逆变回路。非常适用于综放工作面有限空间及移动应用的工作场景。

3-1 采用高压独立组合变频技术的刮板输送机电气驱动系统技术方案

工作面S5-13的前后部刮板机均采用此技术方案，前后部刮板机各配置1台KBZSGZY-2500/6/2×1.905矿用隔爆型交流移动变电站和1台BPJV3-2×1250/3.3高压两独立组合变频器，驱动刮板机的机头机尾两台700kW/3.3kV电机同步运行。两台高压独立组合变频器均采用远程控制，接收工作面集控系统的控制命令，同时实时向集控系统上传刮板输送机和自身的运行数据。

高压独立组合变频器具有“正常运行”、“低速检修”和“节能运行”三种工作模式。在生产班，变频器运行在“正常运行”模式或“节能运行”模式，“正常运行”模式下，变频器按照设定的转速运行;“节能运行”模式下，变频器按照刮板输送机上的煤量自动调整以最经济的速度运行。检修班，变频器运行在“低速检修”模式，变频器以设定的安全速度运行，检修工人可以方便地对刮板输送机的刮板、链条及其他部件进行检修或更换。

根据常村煤矿智能化矿山建设规划，高压两独立组合变频器预留了工业以太网、wifi、Profibus及新一代通讯技术接口等通信接口，可方便接入物联网，满足未来智能化综采工作面要求及智能化矿山要求。

高压独立组合变频器采用光纤链路实现高速的主从通讯控制，在主机和从机之间建立通讯联系，主从动态跟踪控制，实现了两电机之间的负荷平衡和功率平衡。

高压独立组合变频器采用12脉冲整流结构，三相交流电源通过矿用隔爆型交流移动变电站对整流桥供电，变电站的两个副边绕组之间存在30°的相位差，可以有效降低变频器对电网的谐波干扰，使网侧谐波含量满足国家相关标准的要求。

高压独立组合变频器具有无线WiFi功能，能够在不打开柜门情况下，通过网络对变频器进行程序升级、故障记录查询及数据上传等维护操作。

高压独立组合变频器采用独立母线系统，防爆壳体内的两台变频器，有各自独立的整流回路和逆变回路，相互独立，互不影响，结构简单，整体可靠性高。

3.2.高压独立组合变频技术特点

高压独立组合变频器集成了两个独立的变频器芯体，变频器芯体采用了当今世界范围内成熟可靠的三电平拓扑结构，具有元件少、结构简单、控制性能优异等诸多优势;

采用大功率高可靠性IGBT （Integrated Gate Bipolar Transistor ，绝缘栅双极性晶体管）开关器件。具有更高的开关频率，更小的能量损耗，具有高的关断速度和对系统的保护性能。

采用最新一代矢量控制的力矩控制模式，可实现低速大力矩，允许更高的过载和启动力矩，转矩响应快，最大启动转矩可达额定的2.5倍。

软起软停，消除机械及电流冲击，延长刮板输送机的使用寿命。

具有以太网、CAN、Profibus 、RS485等通讯接口，可实现与上位机通讯、集控运行和远程监控，数据实时上传。

超强的抗电压波动能力，电网输入侧电压在-15%～+10%范围内波动时，通过电压波动补偿算法来自动补偿输出，保证额定输出。

具有开机自检和故障自诊断功能，可方便的诊断出当前变频器的状态是否正常，并在显示屏上显示故障代码，能够明确指示故障信息并提供故障解决措施。

完善的故障保护功能，能够实现变频器、电机的保护及刮板输送机的防断链保护。

高压独立组合变频器采用独立母线系统，防爆壳体内的两台变频器，有各自独立的整流回路和逆变回路，相互独立，互不影响，结构简单，整体可靠性高。比较共直流母线系统为一整流+多个逆变器拖动多台电机，结构复杂;整流桥或逆变器任何一个部位发生故障，整个系统停运。可靠性差。尤其是高压共直流母线形式，在综采面要求设备高安全可靠性的应用场合。

与原方案相比，此方案彻底解决了原方案存在的不足。

4.技术方案的实施

2018年7月，在我矿地面，进行了刮板输送机系统安装，与厂家进行了联合调试，各项功能达到预期设计目标，变频器的输出电压波形及电流波形如图4-1和图4-2所示。

2018年8月1日至2018年8月10日，前后部刮板输送机井下安装完毕，我们进行了试运行，刮板输送机运行良好，高压独立组合变频器，在全速范围内维持高功率因数达0.95以上。启动平稳，启动电流小，无电网冲击，启动转矩大。在厂家配合下，完成了重载测试和同步运行测试，图4-3为重载启动时变频器的输出电流、转矩曲线。同步运行时，速度同步、负载均匀，主从动态跟踪控制，响应速度快。

2018年9月，工作面S5-13正式投入运行，至2019年4月，工作面开采完毕，独立组合变频器连续稳定安全可靠运行，性能优良。

5.经济效益

工作面S5-13刮板输送机驱动系统改造后，直至此工作面开采完毕，系统运行稳定，取得了良好的经济效益，累计完成输送煤量1656901.76吨。刮板输送机磨损明显减少，无需更换即可投入新工作面运行，寿命延长。刮板输送机驱动系统维护量显著减少，烧电机及断链情况没有再出现，节约了维护费用。刮板输送机连续无故障运行，避免了因设备故障造成的损失，使我矿生产效率显著提高。

6.结论

自2018年刮板输送机驱动系统改造并成功投运以来，刮板输送机驱动系统运行安全稳定，性能优良，生产效率得到极大提高。变频器优异的启动、调速性能及完善的保护功能彻底解决了之前存在的电机电网冲击、机械磨损、功率不平衡及故障多等问题，系统的可靠性得到保证。经过S5-13工作面从始至终的运行验证，效果良好，实现了预期效果，有非常好的推广应用价值。

参考文献

[1] 邢祖江. 双速电机在刮板输送机上的应用[J]. 煤炭技术，2008，27（2）：12-14.

[2] 张选正. 中高压变频器应用技术[M]. 北京：电子工业出版社，2007.

[3] 张选正. 变频器应用技术与实践[M]. 北京：中国电力出版社，2009.