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1、概述
    十三礦己3鋼纜皮帶機為電壓1140v、功率2×500kw四象限交流變頻拖動，主導輪直徑3.5米，運輸能力500t/h，最大速度2米／秒，全長2280米，帶寬1米，具有良好的運行特性，能實現高效運行，具有運煤、運人、驗繩三種運行速度。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生產。
    在鋼帶機電控系統(tǒng)中，變頻器是設備安全運行的關鍵和核心，其運行性能好壞直接影響到原煤和人員的安全運輸。我礦使用的四象限變頻電控系統(tǒng)技術含量高，保護靈敏，節(jié)能，啟動平緩，制動可靠；本系統(tǒng)運用了主動前端自換技術，脈寬調制斬波技術，矢量控制技術，自調整技術等，遵循了“五高”建設方針，即高起點、高技術、高質量、高效率、高效益，突出效益優(yōu)先；同時技術先進，可靠性高，擴展與升級容易，具有故障自診斷功能，做到夠用、適用、好用、易擴展，并充分利用了現有資源，在技術先進的基礎上，做到經濟實用。
2、系統(tǒng)簡介
    在本系統(tǒng)中最關鍵的是拖動系統(tǒng)，而變頻器又是拖動系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)設計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。要實現精確的磁場定向矢量控制，則必須在異步電動機上安裝精密的測速裝置，但在井下鋼絲繩牽引帶式輸送機上安裝測速裝置是很困難的，同時會增加系統(tǒng)的維護量。SPWM磁通矢量控制的基本控制思想是根據輸入的電動機的參數，按照一定的關系式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組電壓的頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流的指令值、檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實現矢量控制。采用SPWM磁通矢量控制的變頻器不僅可在調速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產生的轉矩，以保證在低頻運行時額定轉矩的輸出。
2.2良好的散熱功能
    通用變頻器在國內外以廣泛應用，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用，此次研制生產的隔爆變頻器由于采用真空熱管散熱技術，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驅動系統(tǒng)的首選目標。鋼絲繩牽引帶式輸送機帶負載運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機械系統(tǒng)產生極大的沖擊。變頻器的起動、停止時間是任意可調的，也就是說起動時的加速度和停車時的減速度任意可調，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起停時產生的沖擊減至最小。
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，低頻運轉可輸出1.5-2倍額定轉矩，因此最適于“重載起動”。
2.5  自動回饋制動
    當系統(tǒng)處于負力運行時能自動進入回饋制動運行狀態(tài)，將能量反饋到電網中，從而在負力提升的狀態(tài)下也能實現準確的速度控制，又達到了節(jié)能的效果。
2.6實現無級調速
    鋼絲繩牽引帶式輸送機是煤礦生產運輸系統(tǒng)主要組成部分，從最大限度的滿足安全生產、經濟運行的角度出發(fā)，驅動系統(tǒng)不僅可實現運人、運料、驗繩等多種速度，而且可實現無級調速。變頻器可調整電機于5%-100%額定帶速范圍內的任意帶速長期工作。并且在任意速度下均可提供額定轉矩。對應于煤礦的特殊生產條件，有時，煤的產量是極不均勻的，當然鋼絲繩牽引帶式輸送機系統(tǒng)的運煤量也是不均勻的，在負載較輕或無負載時，鋼絲繩牽引帶式輸送機系統(tǒng)的高速運行對機械傳動系統(tǒng)的磨損浪費較為嚴重，同時電能消耗也較低速運行大的多，但因生產的需要鋼絲繩牽引帶式輸送機系統(tǒng)又不能隨時停車。采用單獨的PLC控制系統(tǒng)對前級運輸系統(tǒng)的載荷、本機運輸系統(tǒng)的載荷進行分別測量，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系統(tǒng)的設備損耗，延長使用壽命。
    針對平煤十三礦鋼絲繩牽引膠帶輸送機系統(tǒng)，不僅可以通過“運行方式”選擇“運煤”、“運人”或“驗繩”以達到不同的速度設定，還提供了無級調速接口以供現場需要進行調速。
2.7可任意調整的加、減速度
    根據鋼絲繩牽引膠帶輸送機電力拖動的工作原理，要求起動平穩(wěn)，并可滿載起動。為減少機械沖擊與電機容量，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整（0.1- 9999秒），故加減速度可以根據需要任意設定，滿足鋼絲繩牽引膠帶輸送機電力拖動的特殊要求。
2.8完善的保護和故障自診斷功能
    變頻器具有完善的保護功能，以保障電氣設備的正常運行。如：過壓、欠壓、過流、過熱、短路、接地、三相不平衡、缺相等保護功能，不僅能保留10次故障代碼，還能保存相應的故障參數。
2.9針對煤礦采取特殊措施
    針對礦山應用的特殊環(huán)境，隔爆變頻器除了在箱體結構方面采取了相應的防爆、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系統(tǒng)采用兩臺電機驅動，為了保證系統(tǒng)內的同步性能，首先要求兩臺電機應同步啟停，在某一電機或驅動系統(tǒng)故障時能系統(tǒng)停機，同時為了使系統(tǒng)更好的工作，還應盡量保證兩臺電機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)調整兩臺隔爆變頻器的速度給定及頻率給定增益，自動調整兩臺電機之間的微小速度差，實現兩驅動電機之間膠帶邊緣線速度等同。
    (2)兩機動態(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，再通過適當調整兩電機的速度來使兩電機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)完成各種保護的控制；完成繩脫槽保護、帶脫槽保護、斷繩保護、乘人上下越位保護（兩極雙保護）、電機的溫度保護、煙霧保護、煤倉堆煤保護、超溫超塵灑水等保護功能。
    (4)實現液壓站油泵、潤滑站油泵的選擇及控制，根據油泵選擇及工作狀態(tài)，自動實現電磁閥的控制。
2.  11本質安全型操作集控臺
    操作集控臺具有設備操作及顯示功能。設備操作，操作方式選擇、速度設定、肩停膠帶輸送機、可逆運行等；在操作臺實時顯示兩臺電機的電流、電壓、速度、故障保護狀態(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、溫度等保護的顯示）。
    (1)操作方式：
    考慮到現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運人或者運物，此時系統(tǒng)具有所有的保護功能，如繩脫槽保護、帶脫槽保護、斷繩保護、乘人時的越位保護等，以保證正常生產的要求。
    檢修操作方式：此種方式用于設備檢修或處理事故等工況下，此時系統(tǒng)除傳動系統(tǒng)的保護外，
其他保護均被旁路，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)速度設定：
    根據用戶現場的實際負載及工況要求，用戶可選擇“運物”、“運人”、“驗繩”及“無級調速”四種調速方式，以適應不同的負載情況。
2.12保護系統(tǒng)及傳感器
    由于本系統(tǒng)比較復雜，各種保護數量比較多，如果采用電纜直聯(lián)，不僅要耗費較多的電纜、增加工程施工量，也不利于系統(tǒng)的檢修和維護。本系統(tǒng)采用現場總線型網絡，只敷設一根三芯屏蔽電纜，形成總線型網絡，將所有的保護納入網絡系統(tǒng)，且對位顯示，便于維護和檢修。要注意的是，急停線、電源和通訊單獨敷設電纜。
    (1)本安型語言告警箱：
    在上下乘人區(qū)，均設立語言告警箱。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按鈕：
    由于本膠帶輸送機傳輸距離比較遠，現場工況又比較復雜。因此，在機頭、機尾和有關需要停機的地方設立就地操作點，設就地急停按鈕。急停按鈕為就地優(yōu)先，一旦發(fā)現問題，便于就地停車。同時，在此處還設啟動確認按鈕，發(fā)出開車預警后，相應地點進行開車前的確認工作，此確認在操作臺屏上顯示位置，并進入控制系統(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，這個信號就被復位，以避免確認信號長期有效造成的事故。這兩種按鈕信號通過現場總線網絡傳輸給控制系統(tǒng)。
    (3)超速保護及打滑保護：
    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)的保護回路中，完成超速保護及打滑保護的功能。
    (4)斷繩保護、繩脫槽保護、帶脫槽保護、沿線停機保護：
    本安型四大保護傳感器：每隔30米設保護傳感器一套（每套4臺），將保護傳感器就近接入現場總線型網絡中，通過網絡上傳到控制系統(tǒng)中，以實現報警停車。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；分別用開關量傳輸，解決了傳統(tǒng)電阻分段回路電阻值不準確的問題；采用先進的現場總線型網絡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的重要，因此，上下各設兩級乘人越位保護點，實現越位的兩級保護，以保障人員的安全。
    (5)滿倉、堆煤保護：
    為了保證輸送機可靠地工作，在機尾給煤點設輸送機堆煤保護傳感器，在機頭煤倉設滿倉保護。
    (6)液壓站油缸漲緊保護：
    為了保證牽引鋼絲繩的張力，不使機尾繩落地，在機尾設置液壓自動張緊裝置。當壓力下降到規(guī)定位置時開關動作，油泵自動啟動，壓力達到規(guī)定值自動停止，以保證輸送機的安全運行。
3、經濟效益和社會效益
    平煤股份十三礦己3防爆變頻調速拖動鋼纜皮帶于2006年11月份開始安裝，2007年3月份試運行，2007年6月正式投入運轉，皮帶全長2288米，安裝傾角5度-8度。輸送機驅動裝置采用2×500KW電動機驅動(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鋼纜皮帶投入運行以來，取得了良好的經濟效益和社會效益。
3.1經濟效益
    (1)開機工作制：年工作300天，每天20小時，效率為80%
    應用變頻調速四年節(jié)約電能為：
    (2100 -1000)×300×20×80%=528萬KW.h
    工業(yè)用電按0.5元/KW．計算，每年節(jié)約電費為582萬xo．5—264萬元
    (2)己3防爆變頻系統(tǒng)投入運行前，己三總機巷7部皮帶運行需要10名司機，現在需要6名司機，每個崗位按系數1.5計算，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元計算，則年節(jié)約工資：
    18×12×2500- 54萬元
    (3)己3鋼纜皮帶投入運行以后，己1、己3兩個采區(qū)可同時生產，大大提高了運輸能力，每天提高1500噸，噸煤售價按350元計，除去每噸成本270元，一年按300天計算，則每年增加凈利潤為：
    350 -270 -80元
    1500×80×300 - 3600萬元
合計每年的效益；N=264+54+3600=3918萬元
3.2社會效益
    己3鋼纜皮帶投入運轉以后，完全滿足了己1、已3兩個采區(qū)原煤運輸，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度。由于本系統(tǒng)為全國第一套2×500KW防爆變頻調速拖動，為將來的更大功率變頻拖動的研制和應用提供了現場實際使用的實例，創(chuàng)造了巨大的社會效益。