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1、山东科技大学硕士学位论文绪论11 绪论绪论1.1 课题来源课题来源1.2 目的意义目的意义1.3 研究方案研究方案1.4 解决关键技术解决关键技术目前建设和投产的千万吨级大型矿井，主运输系统使用的带式输送机多数具备大型化、长运距、高运输能力。动态分析技术、机电一体化技术、可控软启动、中间驱动、高速托辊、大倾角、电控监测智能化及输送系统网络化等关键技术，得到广泛应用，此类技术的成功研发和使用为大型输送机的可靠运转提供了技术保证。目前已经投入使用的大型煤矿主斜井强力带式输送机运量高达 7000t/h，带宽 2200 mm，倾角达 35，带速 6.8m/s，长度 8000m，功率达 42240kw、
2、61800kw 等。本文以哈密大南湖煤矿主斜井胶带输送机设计为背景，通过比较高压变频、调速型液力偶合器、CST 装置、液粘装置等多种软启动的方式，从驱动性能、可靠性、功率平衡、转矩平衡、调速精度等方面分析，多驱高压变频技术以其先进性及稳定可靠性，被优先选择推广应用。本文通过分析交流异步电动机调速原理、直接转矩控制系统的原理和特点、直接转矩控制系统和矢量控制系统性能比较。选用东芝三菱 10KV 高压变频器，采用主从控制技术、 “转矩环”和“速度环”双环控制模式及直接转矩控制技术，解决了大型胶带输送机多电机驱动功率平衡及转矩平衡等技术难题，使设备安全稳定运行。本矿井设计规模 10.0Mt/a，采用
3、斜井提升，倾角 16，担负矿井提煤任务，兼作安全出口。工作制度为年工作 330 天，每天工作 16 小时。主斜井井底标高137m，井口标高470m。目前，主斜井运输一般有绞车提升和带式输送机运输两种方式，本矿井井型大，若采用绞车提升，无论串车或箕斗都不能满足矿井提升量的要求，而带式输送机具有运量大、效率高、成本低、事故少、管理维护简单、易于实现集中控制和自动化，已被广泛应用于国内大型现代化矿井中，能保证矿井持续、稳定的安全高效。根据山东科技大学硕士学位论文绪论2本矿井的条件，设计确定采用带式输送机作为主斜井运输方式。井下煤流运输流程为：井下煤炭由顺槽带式输送机转载至 3 煤大巷带式输送机后进入
4、井底煤仓（Q2500t） ，井底煤仓下安装有 GLL700/7.5/B 型带式给煤机（Q=2500t/h，2 台） ，煤炭通过给煤机转载至主斜井带式输送机，最终提升至地面。经市场调研及技术比较分析，决定采用当时较先进的 10kV 高压变频软驱动技术。主要解决以下几个方面问题：（1）实现胶带机软启软停功能胶带是弹性储能材料，带式输送机胶带储存有大量势能，如果直接启动，特别是带重载荷启动，胶带瞬间承受巨大的冲击，严重影响胶带的寿命及设备安全，因此必须采用软启动方式。高压变频器、液力偶合器、电器软启动、液粘装置、CST 装置等都能实现软启动，但效果不同。（2）胶带各点速度一致由于驱动功率较大，须采用
5、多台电机驱动，要满足所有驱动电机滚筒的胶带线速度（胶带张力）尽量一致，从而避免胶带因各驱动点张力不同致使胶带拉伤、撕裂。（3）各电机转矩平衡对于一滚筒多驱的驱动方式，要求控制同一滚筒的多台电机的输出转矩相同，出力一致，避免出力不均衡导致电机过载或烧毁。1.2 国内外带式输送机软启动装置现状国内外带式输送机软启动装置现状设备的大型化给带式输送机的启动、停车、低速验带带来困难，国内外常采用调速型液力偶合器、CST 装置、液粘装置等软启动方式。但这几种软启驱动性能、可靠性、功率平衡、调速精度等方面存在问题，不能满足现场需要，制约了煤矿发展。1.2.1 电气软启动器启动方式电气软启动器启动方式电气软启
6、动器实际上是一个晶闸管交流调压器。通过改变晶闸管的导通角，就可以调节晶闸管调压电路的输出电压。在电机启动过程中，晶闸管的导通角由小逐渐扩大，直至完全导通，在这个过程中，电机端的电压也随着导通角的扩大逐渐变大，从而实现了电机软启动。采用电气软启动器时，由于启动时间可调，并且是电机电压逐渐升高，对电网的冲击较小，可基本避免由于启动的冲击造成的胶带老化等损伤。但这种启动方式启动力矩山东科技大学硕士学位论文绪论3也会相应变小，可能会造成重载启动困难。采用电气软启动器时，由于电机启动之后就丧失了对电机的控制，无法实现调速运行，也无法保证多驱胶带各点的速度一致，也不能解决电机转矩平衡的问题。1.2.2 调
7、速型液力偶合器启动方式调速型液力偶合器启动方式调速型液力偶合器通过改变工作腔中充液量来调节输出转速，它是以液态油作为介质传递动力的一种装置，能够满足带式输送机多次重载起动的需要。调速型液力偶合器可以在有限的范围内调节输出转速，在低速调节时运行效率低下、发热量高、容易引起器件的过度损耗，所以很少采用调速型液力偶合器进行较长时间的低速运行。在启动过程中，调速型液力偶合器可以脱开负载对电机直接启动，相对于直接带载启动对电网的冲击有所降低，但电机的启动电流仍然很大，因此不可避免的还是会引起电网电压的一些波动。调速型液力偶合器由于充液量无法精确控制，因此无法保证电机的转矩平衡，并不适合多台电机驱动的大运
8、量带式输送机。1.2.3 CST 装置启动方式装置启动方式CST是由美国DODGE公司研制的带有电液反馈控制及齿轮减速器，在低速轴端有线性湿性离合器，集减速、离合、调速于一体的机电一体化传动系统。它主要有五部分组成即机械传动系统、电液控制系统、风冷热交换器、油泵系统、冷却控制系统。CST系统的主要性能特点是：能在大范围内调节和控制输送机的启动加速度和停车减速度，软起动、软制动性能良好。离合器和减速器在一个整体内，体积小，占地少。启动完成后，在正常运行带速时，滑差消耗小，效率高。驱动主电机可实现分时空载起动，对电网冲击小。可以实现多台驱动电机之间的功率平衡，控制精度可达2。可大大降低输送带的基本
9、张力，降低输送带强度。可通过电控系统与集中控制系统相连，实现对自身及输送机运行情况的远程集中监视和监控。对自身及输送机提供的保护功能齐全，可实现驱动系统与输送机的双向保护。山东科技大学硕士学位论文绪论4但是，CST 系统后期维护费用高，不能进行低速验带。并未彻底的解决转矩平衡问题。1.2.4 变频变压启动方式变频变压启动方式根据大型带式输送机驱动的特点和发展需要，交流变频调速以其优越性能和实用性开始崭露头角，并逐渐付诸使用。变频调速装置主要由功率器件整流二极管、IGBT 绝缘栅极可控晶体管、电抗器、电解电容等组成。其工作原理是：通过控制器来调节功率器件中的 IGBT，使进入功率器件的交流电源的
10、频率发生变化。根据以下公式：Pfn/60式中 n电机转速；f交流电源频率；P电动机极对数。电动机转速与电源频率成正比关系。当交流电源的频率由小到大变化时，电动机转速也随之由小到大变化。只要控制频率变化范围以及频率变化时间，就可使输送机按照设定的速度曲线平稳起动，达到输送机的软启动。该装置的优点是占地小、起动时调速精度高，可以变速运行，调速范围大，在 5HZ50HZ 范围内均能长期稳定运行，完全满足长距离带式输送机低速验带的要求。高压变频器是大规模集成电路发展和电力半导体器件成熟的产物，是完全电力电子系统。它稳定可靠，控制性能优良，维护简便，现场环境好等优势。变频器是利用控制软件和电力半导体器件
11、，通过控制输出电源的频率，根据工况需要随时调节电动机转速等运行指标的控制装置，可以精确控制所拖动的电机的输出，从而实现软启动、软停止及调速运行，并且可任意设定启、停时间，对电网无冲击，可最大限度的延长胶带等设备的使用寿命。高压变频器可以控制电机以任何速度运行，满足调速要求，并且在运行时具有良好的节电效果。附表 1：各软启动系统特点比较表项目项目调速型液力偶合器调速型液力偶合器电气软启动器电气软启动器CST变频驱动变频驱动驱动方式液压晶闸管机械及液压IGBT山东科技大学硕士学位论文绪论5结构形式电机+液力偶合器+ 减速机软启动器+电机+ 减速机电机+CST变频器+电机+减速机可靠性一般可靠较可靠
12、可靠驱动转矩平衡较差较好不稳定好软启动特性较差较好低速段性能较差全范围内性能好可控线性度和调 速精度启动加速较大，不 能调速可控线性度差， 不能调速低速段非线性，不能 调速可控线性度高，带速可 调传动效率低高低高多电机功率平衡实现困难（滑差调 节损耗大）不能实现实现困难（滑差调节 损耗大）好（电流转矩可调）多电机速度同步精度低精度低精度低精度高启动电流直接启动，电流较 大启动电流较小直接启动，电流较大启动电流小验带不可以不可以验带速度不可调可调验带速度运行成本低低高低控制及通讯/开放/开放，标准化1.3 小结小结经以上分析论述，各种驱动方式虽然性能有差异，均可实现软启动。但采用多驱动转矩平衡控
13、制变频技术，可以确保各台电机输出转矩一致，达到电机转矩平衡；使得各台电机同步运行，实现各驱动处线速度一致；可降低带强及驱动功率，大幅度节约投资；可实现软启软停、任意调速；可任意组合实现多驱动。因此，高压变频多驱动转矩平衡技术成为众多胶带运输机的最佳选择。1.3.1 软启动功能软启动功能虽然性能有差异，四种方式均可实现软启动。变频驱动可以实现多台同步软启动、软停止，其他三种不能实现多台同步软启动。1.3.2 调速运行和速度一致性控制调速运行和速度一致性控制只有变频可以实现调速运行，并且实现速度一致性控制。其它三种均不能（有的只能很短时间调速） 。1.3.3 多驱转矩一致控制多驱转矩一致控制只有变
14、频实现多驱转矩一致控制，其它方法无法实现。1.3.4 技术性技术性变频驱动技术先进，其它方法已经落后。山东科技大学硕士学位论文 2、胶带输送机系统设计原则及要 求62 胶带输送机系统设计原则及要求胶带输送机系统设计原则及要求胶带输送机系统由控制系统、软启动装置、制动装置、自动张紧装置、监控系统以及系统保护装置等组成。2.1 胶带输送机控制系统要求胶带输送机控制系统要求2.1.1 胶带输送机启动要求胶带输送机启动要求通过控制起动加速度来确保带式输送机按要求的速度曲线平稳地起动，到达额定运行速度，同时使电机的起动电流和输送带的张力控制在允许范围内。2.1.1.1 传动装置设计应考虑各种工况下起动及
15、制动平稳，可采用变频调速、CST 装置或调速液力耦合器等实现可控软启动及软制动；2.1.1.2 大功率驱动时使用多台电机驱动，采用多点驱动方式；2.1.1.3 实现预张紧，空载起动速度达到 0.5m/s 时，保持 3s，使输送带张紧；2.1.1.4 多机驱动时，应具有功率平衡及转矩平衡功能，对于一笼双驱（或多驱）的情形，控制该滚笼的多驱电机的输出转矩相同，出力一致，避免出力不均衡导致某些电机过载或烧毁；2.1.1.5 可实现慢速验带运行及软起动和软停车，其加减加速度不超过0.3m/s2，使输送带起动动张力控制在允许范围内，确保设备平稳停车；2.1.1.6 软启动技术是大功率带式输送机的核心技术
16、。除考虑技术性能外，还必须考虑其经济合理性；2.1.1.7 起动时间可以任意调节，平稳起动，并能实现满载起动；2.1.1.8 多机驱动时，应具有使电动机顺序起动的功能；2.1.1.9 具有过载保护功能。2.1.2 胶带输送机电控与监测要求胶带输送机电控与监测要求2.1.2.1 实现集中控制和信息化管理；2.1.2.2 配置工业电视和摄像头对输送机重要部位进行实时监控，带式输送机实现无人值守；山东科技大学硕士学位论文 2、胶带输送机系统设计原则及要 求72.1.2.3 配备跑偏、拉线、堆煤、打滑、信号、温度、纵撕等保护功能，并在集控室内有显示，以便及时排除故障；2.1.2.4 实时显示各电机的工况、电机电流、温度、变频器以及保护传感器的状态等；2.1.2.5 具有带式输送机沿线起动预告和语音通话功能；2.1.2.6 具有可扩展性，要求系统具有一定的可扩展
