3.3 kV大功率高压变频“一拖二”控制技术在综放面重型刮板输送机上的应用

叶志勇 孟国胜

(1.大同煤矿集团有限责任公司同发东周窑煤业有限公司，山西省大同市，037003；2.大同煤矿集团有限责任公司生产技术处，山西省大同市，037003)

前后两部刮板输送机能否快速平稳启动、均衡调速以及平稳运行是综放面能否高产高效的重要保障，而合理的驱动控制技术是重型刮板输送机能否平稳启动、均衡调速以及平稳运行的关键。目前，随着煤矿生产现场对刮板输送机电动机启动与调速性能要求的不断提高，生产设备单机功率不断增大，高电压、大功率变频技术已逐渐成为刮板输送机等重型机械设备驱动装置的最佳选择。

本文针对同发东周窑煤业综放面的实际情况，从CST驱动技术存在的调速精度较低、范围窄、驱动环节较多、传动效率不高等问题入手研究，在分析刮板输送机启动特性的基础上，引进BPJV1-2000(1400)/3.3型大功率高压变频器拖动2×1000 kW前后两部刮板输送机高压变频“一拖二”控制技术，并在C5#层8100综放面成功应用，彻底解决综放重载等条件下两部刮板机启动难、多机驱动不平衡等问题，确保两部刮板输送机快速平稳启动、均衡调速和平稳运行。

1 工程背景

同发东周窑煤业C5#煤层8100综放面配套SGZ1000/2×1000型前部和SGZ1200/2×1000型后部刮板输送机，两部刮板输送机的装机功率均为2×1000 kW，电压等级为3.3 kV，属大功率重型设备。前部刮板输送机运输能力为2500 t/h，槽宽为1000 mm，链速为1.34 m/s，铺设长度为220 m，双机拖动；后部刮板输送机运输能力为3000 t/h，槽宽为1200 mm，链速为1.34 m/s，铺设长度为220 m，双机拖动。

由于矿井开采地质条件复杂，工作面断层带较多，陷落柱及煌斑岩入侵较频繁，含矸率为50%左右。在采放同时作业时，工作面前后两部刮板输送机运输煤(矸)量极不均匀，极易造成前后两部刮板输送机功率不平衡。从多年的生产实践来看，7个综放面刮板输送机选用PF6系列机型(全部进口)，整机电动机与减速机之间采用CST可控软启动装置连接，实现刮板输送机软启、软停和有限暂态控制，虽取得了较好的效果，但仍存在以下问题：

(1)启动时间短以及启动力矩大对设备冲击较大，易造成刮板输送机断链事故。

(2)放煤含矸率较高，前后两部刮板输送机启动时较难满足重载(压溜)下的要求，尤其后部刮板输送机电动机极易出现“闷车”故障。

(3)由于电液系统较为复杂，因此检修时间较长且维护工作量大，并对油液的清洁度要求较高，控制阀易因油液污染而出现故障。

(4)设备一旦出现损坏更换比较困难，额外增加工人的劳动强度等问题。

为了彻底解决上述存在问题，同发东周窑煤业根据实际情况，优化驱动方式，引进先进的大功率高压变频“一拖二”控制技术，实现了前后两部刮板输送机快速平稳启动、均衡调速、平稳运行，确保了综放面高产、高效以及安全生产。

2 3.3 kV大功率高压变频“一拖二”控制技术

2.1 刮板输送机启动特性分析

综放面配套设备中，前部刮板输送机装煤量随着采煤机的采煤速度和行进方向不断变化，从空载到满载甚至超载，持续时间无规律。由于同发东周窑煤业矿井属石炭系，存在煤层放煤厚度大、赋存不稳定、含矸多等特殊条件，导致放煤量极不规律，造成后部刮板输送机煤流量极不均匀且负荷不稳定，刮板输送机在极不稳定的负荷状态下，经常发生卡链、断链和脱齿等故障，且经常在重载或超载下启动。此外，大功率刮板输送机普遍采用头机和尾机的驱动方式，由于机头和机尾驱动部电动机、链条等结构及运行方式的差异，导致双机驱动系统中各电动机功率分配失衡和负载波动，这些都对电动机造成一定的损害，严重时甚至可能出现烧损电动机的情况。

2.2 刮板输送机驱动方式比对分析

为了解决大功率刮板输送机负载量大、运输距离长、频繁且多带载启动带来的启动、功率平衡以及过载保护等问题，可采用两种解决方法：一是直接控制电动机的启动速度，达到软启动方式，即高压变频器驱动方式；二是不直接启动负载，而是先使电动机在空载状态下启动，达到额定转速后，再慢慢接入负载，转入正常运行，即CST软启动方式。两种驱动技术优劣各异，需根据矿井实际现场开采条件，各自显现其优势。从调速性能、启动性能、调速范围、传动效率、性价比、矿建工程、设备维修、节能效果等方面对变频技术和CST技术进行综合比对分析，优劣比较分析如下：

(1)调速性能比较。变频启动特性突出特点是通过改变电源频率实现刮板输送机软启动、软停车和过程控制，可根据刮板输送机负荷情况实现无极调速。CST驱动技术不能实现刮板输送机的过程控制。

(2)启动性能比较。变频技术启动力矩较大且启动平稳，可实现刮板输送机零速满转矩启动，对刮板输送机链条冲击力小，能够延长链条的使用寿命；变频技术启动可以在短时间内对刮板输送机进行多次重复启动；CST驱动电动机不能频繁启动，启动时加速度较大，存在瞬时加速度极大值现象，启动时间较短以及启动电流较大对链条有较大冲击力，易造成刮板输送机断链事故。

(3)调速范围比较。变频技术调速范围较广，在0～100%范围内，都能实现调速功能，且在整个调速范围内都具有较高的传动效率；而CST驱动技术调速范围较窄，一般为30%～70%。

(4)传动效率比较。变频技术传动效率较高，可达96%以上；CST驱动技术传动效率约在90%左右。

(5)性价比方面比较。变频驱动设备初期投资较大，但后期回报率较高。变频驱动设备采用模块化设计，因此更换方便且性价比较高；CST驱动设备价格昂贵，初期投资成本较高，后期回报率较低。

(6)设备维修方面比较。变频驱动技术可靠性能较高，基本无故障，免维修；CST驱动技术的电液系统较为复杂，结构庞大，维修量较大。

(7)初次安装矿建工程比较。变频驱动设备占地面积较小，井下矿建工程量较小；CST驱动设备的电液系统占地面积较大，井下矿建工程量较大。

(8)节能效果比较。变频驱动技术节能效果明显，CST驱动技术基本无节能功效。

综合比较可以得出，变频技术比CST技术更优，能解决前期同发东周窑煤业综放面采用CST技术存在的调速精度较低、范围窄及驱动环节较多、传动效率不高等问题，因此选择高压变频技术。

2.3 高压变频“一拖二”控制技术

2.3.1 工作原理

高压变频是将电压和频率固定不变的交流电利用电力半导体通断作用变成电压和频率都可调的交流电源，变频器对输入电压进行变频输出控制，由变频器输出可控电压，从而实现电动机的调速控制。

在电动机启动过程中，电动机和负载直接接触，通过改变频率实现电动机转速由0 Hz可控增加，随着链条间隙逐步消除，将转化载荷加载到电动机上，在刮板输送机运行过程中，依靠变频器对设定的电流差进行反馈控制，根据负载及时调整速度，实现负载平衡，并在刮板输送机与变频电动机之间安装摩擦限矩器，实现由于传动尖峰转矩引起的快过载保护，电动机通过自带的过热和过流保护实现慢过载保护。采用变频技术有以下明显优势：

(1)具有过载、短路、断链、堵转、欠电压、过电压、过热、缺相、漏电、接地等保护功能。

(2)具有启动转矩大、启停平稳等特点，能实现交流异步电动机在各种负载情况下的重载软启动、调速、停车等功能，彻底消除机械及电气冲击，延长设备使用寿命。

(3)可进行“一拖二”变频器控制模式，各变频器之间自动调节输出转矩，实现多台设备之间的动态功率平衡，同时降低使用成本。

(4)配备10.4 吋的液晶显示屏使得显示更加直观。

(5)直接转矩控制功能强大，最大可实现2.2 倍额定启动转矩，实现启动和运行的转矩保护，确保平稳运行。

(6)具备输出滤波单元，适用于普通异步电机的驱动控制，应用范围广。

(7)功率器件采用IGCT，采用去离子水冷却系统冷却，冷却效率高。

2.3.2 变频器主要结构及参数

BPJV1-2000(1400)/3.3型大功率高压变频器的外形为长筒型长方体，主要由整流单元、滤波单元、逆变单元、水冷单元以及低压控制单元五大部分组成。变频器主要技术参数如下：输入参数中额定功率为2000(1400) kW，额定输入电压为2×3AC 1903 V, 额定输入频率为50 Hz, 相数为2×3；输出参数中输出电压为0～3000 V ，输出电流为0～406(290)A，输出频率范围为5～50 Hz；工作制式为S1；本安参数U0为12 VDC，I0为1.3 A。变频器的低压控制部分主要布置在输出端盖上，动力电源的输入以及负荷电缆的输出均采用快速电缆连接器结构。电气系统整体采用拓扑结构，拓扑结构图如图1所示。

(1)整流单元。变频器通过三绕组变压器获得脉冲整流电源，通过整流单元进行整流，以减少变频器对网侧谐波的干扰，输出电源电压为1903 V，变压器的每个副边绕组的相位差为30°，直流回路电压为两路整流电源电压的叠加。移动变电站的合闸必须由变频器唯一控制，严禁手动直接对变频器充电。整流单元结构图如图2所示。

图1 变频器电气系统拓扑结构图

1-冷却水路；2-冷却风机；3-整流二极管；4-吸收电容；5-保护IGCT图2 整流单元结构图

(2)三电平逆变单元。逆变器采用三电平控制技术，采用IGCT 作为开关元器件，配合LC 低通滤波器使用可以降低逆变器开关时对电机输出的高次谐波。

(3)保护IGCT(无熔断器设计)。变频系统使用最新的功率半导体开关器件IGCT 作为主电路保护器件。不同于传统的熔断器，位于整流器和直流回路之间的 IGCT 可以直接把逆变器和主电源隔离，且分断时间为25 μs，比传统的熔断器快1000 倍。使用IGCT 作为传动系统的保护设备，使得传动系统的元器件数目更少，从而使变频器具有更卓越的可靠性。

(4)输出正弦波滤波器。变频器标配的低通LC 滤波器可以减小输出电压中的谐波含量。采用LC滤波器之后，输送给电机的电压波形为正弦波，消除了电机轴承中存在的容性耦合高频电流，并消除了共模电压的影响。滤波器单元结构图如图3所示。

1-输出电抗器；2-电流传感器；3-电容器图3 滤波器单元结构图

2.3.3 高压变频“一拖二”控制技术

高压变频“一拖二”控制技术是将10 kV高压经过移相变压器降为1.915 kV电压进行叠加输入到变频器，变频器对输入电压进行变频输出控制，由变频器输出电压为0～3.3 kV、频率为5～50 Hz的可调控电压，实现调速控制，可调控电压分支2个500 A接触器，分别去控制刮板输送机机头和机尾的电动机，实现“一拖二”控制，同时为了确保控制线路的供电稳定可靠，设计时增加1台备用移相变压器。变频“一拖二”控制技术原理图如图4所示。

变频器通过软件参数设置，可以实现变频器单机“一拖二”的工作模式。变频器只能在停机状态下修改参数，变频器本安键盘与变频器内部显示设定键盘一一对应，按照正确的按键对应关系输入变频器设置密码进入通用参数设置界面，按下“上翻”或者“下翻”按键，可以分别选择参数设置选项设置参数以及选择“一拖二”控制方式，同时也可以设置相应的其它参数。

图4 变频“一拖二”控制技术原理图

BPJV1-2000(1400)/3.3型大功率高压变频器支持远控和近控两种模式。远控模式通过外部远程控制器的先导启停信号实现变频器启动与停止；近控模式通过变频器键盘按键实现启动与停止。“一拖二”控制在近控模式下实现，通过参数设置进入工作界面。“一拖二”控制通过不同按键对应实现不同的功能，进而实现对前后两部刮板输送机运行的有效控制，主要有以下4种控制方式：

(1)通过“组合+机头吸合”按键实现刮板输送机机头电机接触器吸合，变频器急停状态下有效“一拖二”。

(2)通过“组合+机头分断”按键实现刮板输送机机头电机接触器分断，变频器急停状态下有效“一拖二”。

(3)通过“组合+机尾吸合”按键实现刮板输送机机尾电机接触器吸合，变频器急停状态下有效“一拖二”。

(4)通过“组合+机尾分断”按键实现刮板输送机机尾电机接触器分断，变频器急停状态下有效“一拖二”。

系统软件自带主要参数实时曲线查询功能，对“一拖二”控制下各种参数实时趋势进行动态监测，发现异常时可及时回到变频器设置页面调整设置参数，确保变频器正常运行。

3 工程应用

将3.3 kV高压变频“一拖二”控制技术在同发东周窑煤业C5#煤层8100综放面(配套SGZ1000/2×1000型前部和SGZ1200/2×1000型后部刮板输送机)进行工程应用，经生产实践证明，控制效果较好，能够实现前后部重型刮板输送机平稳启动、均衡调速、平稳运行，应用效果如下：

(1)3.3 kV高压变频“一拖二”控制技术经过现场使用，满足了刮板输送机软启动、调速或定速带载运行、正常停机以及紧急停车等各种生产工况需求，能够实现刮板输送机的重载平滑启动，消除了设备启动时的机械与电气冲击，DTC(直接转矩控制)技术很好地实现了生产现场刮板输送机零速满转矩启动，有效提高了刮板输送机的开机率，确保了工作面安全高效生产，8100综放面平均月产量达45万t，取得了良好的社会效益和经济效益。

(2)3.3 kV高压变频“一拖二”控制技术可以根据链条最小破断力设定最大转矩输出值，对刮板输送机链条起到了很好的保护作用，大大减少了刮板输送机断链现象的发生。通过5个多月事故统计，刮板输送机断链故障大幅下降约40%～50%，综放面刮板输送机链条更换频率和维修工作量明显降低，维护成本下降50%，同时减少了工人劳动强度，极大地提高了生产效率。

(3)在C5#煤层8100综放面生产过程中，通过对变频器随机进行检查和测算，其保护性能、运行参数等各项技术性能指标全部符合设备标准要求，节能效果明显，达到了30%以上。1个生产班的两部刮板输送机节约有功功率约为1000 kW。按照日工作时间16 h、生产市场电价1.1元/kWh计算，1个生产班节约电费约为1.76万元，连续生产5个多月节约电费约为264万元，降本增效显著。

(4)BPJV1-2000(1400)/3.3型大功率高压变频器连续生产5个多月未出现任何机械和电气故障，运行状况良好。

(5)采用变频器“一拖二”驱动方式只需要采购1台BPJV1-2000(1400)/3.3型大功率高压变频器和1台KBSGZT-2500/2×1.9变频整流移动变电站，投资约为675万元。相比以往采用CST驱动技术(需配套1台KBSG-2500/3.3型移动变电站和1台3.3 kV四组合开关)投资约为935万元，采用变频器驱动技术设备采购成本降低约为30%，投资更为经济合理。