概述
      煤礦的四大件設備，主要是提升運輸設備、煤礦主通風設備、煤礦排水設備和煤礦壓風設備，煤礦提升運輸設備是煤礦的“印鈔機”，煤礦生產過程中煤炭的運輸通道，是煤礦生產的重要設備。在煤礦提升運輸設備中，皮帶機占有重要的地位，鋼纜機作為皮帶機的一種，一直在煤礦的生產中扮演重要的角色。
      桑樹坪煤礦一號井鋼纜牽引膠帶輸送機（以下簡稱鋼纜皮帶機）承擔著斜井原煤運輸和人員上下井的任務。這部膠帶輸送機現有驅動系統采用的是晶閘管串級調速，電動機為JRQ158-6型高壓繞線式電機（功率550kW，電壓6kV），減速機為NGW172型行星齒輪減速機，無軟啟動裝置。張緊方式為重錘張緊。
      這部鋼纜皮帶機安裝于1978年，并于1979年11月移交使用，至今已服務近30年。30年間，雖經過幾次現場部件大修，但也只能勉強維持生產。2007年以來，該設備運轉狀況急劇變差，各項主要技術指標嚴重下降。存在的主要問題有：
      1、電機存在缺陷，各項主要性能指標明顯下降。
      2、兩臺行星齒輪減速器運行狀況十分不好，嚴重影響生產。
      3、SECJ－06全數字逆變控制器經常出現故障，導致無法正常工作。
      4、給主電機供電的高壓接觸器，整機已嚴重老化，經常出現故障，
      5、高壓開關柜為油斷路器，有滲油現象，保護不齊全。

為了提高膠帶輸送機工作的靈活性與可靠性，該礦鋼纜膠帶機具有兩種工作模式：
     （1）正常工作模式（即雙機拖動），不使用機械差速器，每個電機拖動一個驅動輪，兩電機之間無剛性連接，而是由鋼絲繩和膠帶構成彈性聯接，兩電機的調速回路各自獨立。
     （2）備用工作模式（即單機拖動），當其中一套調速裝置發生故障時，可變雙機拖動為單機拖動，以維持生產的正常進行。

   二、拖動電機同步啟動和功率平衡控制方案
     正常工作模式即雙機拖動時，由于鋼纜膠帶機的兩臺拖動電機不同軸連接，為了全過程中實現膠帶機兩驅動電機之間的速度同步及功率平衡，則兩電機的控制不應是各自獨立，而是彼此相互關聯的。因此，設計中采用主從控制方式，通過采集電機電流判斷，進行PID調節以達到兩驅動電機之間的速度同步及功率基本平衡。系統速度、電流閉環控制框圖2如下。

 

圖2  系統框圖

     四象限高壓變頻器
     電機在運行過程中，轉矩方向為縱軸，轉速方向為橫軸。轉矩和轉速方向都為正時，是正向牽引，為第一象限；轉矩為正，轉速為負，是反向制動，為第二象限；轉矩和轉速方向都為負，是反向牽引，為第三象限；轉矩為負，轉速為正，是正向制動，為第四象限。如圖3所示。對于變頻器而言，就是可以推動電機快速的加速和制動，并且可以快速反向加速和制動。既能量可以迅速在電機和電網之間雙向流動，四象限變頻器起到橋梁的作用。 

圖3 四象限運行圖

 

主從控制
    變頻器在多機隨動的情況下，需要有此功能，此功能的實現方式是，把高壓變頻器的控制器通過高速通訊網絡組網，參數設置里，把需要隨動的變頻器設定為從，把需要電控系統來控制的變頻器設置為主。主從控制網絡示意圖如圖4所示。主從控制方式中，可以控制同步啟停和功率平衡。

圖4主從控制網絡

  

 圖5主從控制功率平衡軟件控制框圖

 

其中：
    Is為從變頻器輸出電流，即從電機電流；
    Im為主變頻器輸出電流，即主安吉電流；
    ns為從電機運行轉速；
    nm為主電機運行轉速；
    nes為主變頻器給從變頻器調整后的基準頻率。
    另一種方式是通過電控系統來控制功率平衡，變頻器和控制系統的連接方式如圖6所示，控制部分采用通訊、硬連接、變頻器主從控制通訊相結合的方式，變頻器的啟停和保護等功能通過硬連接實現，變頻器的速度給定通過通訊來實現，變頻器同步啟停通過變頻器的主從控制實現，變頻器的電流和轉速過模擬量和通訊雙重給定。

圖6 變頻器和控制系統連接示意圖

  

    高壓變頻器內部有電機電流檢測元件，檢測電機電流；變頻器通過安裝在電機軸頭的光電編碼器檢測電機的轉速，形成電流和轉速的雙閉環控制。變頻器把檢測到的電流和轉速通過變送后給控制系統，控制系統通過運算電流和轉速，通過和給定的轉速做比較，相應的調整變頻器的給定轉速，達到調節變頻器功率平衡的目的，控制系統功率平衡軟件框圖如圖7所示。

圖7功率平衡軟件控制框圖

 

 其中：
    I1為變頻器1輸出電流，即電機1電流；
    I2為變頻器2輸出電流，即電機2電流；
    n1為電機1的運行轉速；
    n2為電機2的運行轉速；
    ne為控制系統給變頻器的基準轉速；
    ne1為控制系統經過功率平衡運算調整后給變頻器1的給定轉速；
    ne2為控制系統經過功率平衡運算調整后給變頻器2的給定轉速。

      三、改造后的效果
      桑樹坪煤礦在2009年春節期間停產改造，更換了高低壓配電系統、更換了電控系統和拖動系統，因為機械部分的電機和減速機未能運輸到現場，所以系統沒有全部改造完成，在5月1日前，電機和減速機運輸到現場，現場的改造全部完成，改造完成后，現場運行效果良好。在桑樹坪煤礦的皮帶頻繁啟停過程中，變頻器運行穩定，同步啟停效果良好，功率平衡在工程允許的5%范圍內。
      皮帶機的啟動過程加速時間為1分鐘，在加過過程中，兩臺電機的電流基本保持平衡，其誤差在5%以內。在長期穩定運行過程中，兩臺電機的電流誤差保持在3%以內。
      鋼纜機在停機過程中，全部由變頻器再生制動，抱閘不參與工作，減少了抱閘的磨損。
      在單機拖動試驗中，變頻器由于采用有速度傳感器的矢量控制方式，啟動電流小，不超過額定電流1.2倍，力矩大，完全滿足鋼纜機單機運行、重載啟動的要求。

 

合康HIVERT-YVF06/077高壓變頻器

 

      結論
      國產高壓四象限變頻器在鋼纜機上應用，在國內尚屬首次，自2009年春節調試完成至今，運行平穩，維護簡單，因采用矢量控制，適合重載啟動場合的應用，是今后鋼纜機及皮帶機拖動發展的趨勢。