謝小展，陳俊杰，徐國(guó)強(qiáng)，徐占軍，許隨利，李瑞常             （1. 焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司，河南焦作454100）

            （2. 深圳市庫(kù)馬克新技術(shù)股份有限公司，廣東深圳518108）

摘要：介紹了BPBJV-1600/10 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器在焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司某二礦主煤流輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)方案、負(fù)載自適應(yīng)調(diào)速節(jié)能控制策略及運(yùn)行情況。系統(tǒng)改造后，其智能化水平顯著提高、節(jié)能效果明顯，運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠。 關(guān)鍵詞：BPBJV-1600/10 防爆高壓變頻器；高瓦斯；礦用隔爆兼本質(zhì)安全；功率平衡；煤量自動(dòng)估算。

    某二礦位于河南省新鄉(xiāng)輝縣市，是焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司（以下簡(jiǎn)稱“焦作煤業(yè) （集團(tuán)）”）的現(xiàn)代化骨干礦井。井下西大巷主煤流輸送系統(tǒng)采用10 kV 電壓等級(jí)的隔爆型高壓電機(jī)作為動(dòng)力裝置，輸送機(jī)長(zhǎng)度2000 m，海拔高度-800～-626 m，最大傾角16°，設(shè)計(jì)運(yùn)量不小于3 000 t/h，膠帶寬度1.4 m，帶速4 m/s，電機(jī)功率3×710 kW，采用液力耦合器作為啟動(dòng)設(shè)備，電機(jī)損壞較為頻繁，無(wú)法實(shí)現(xiàn)煤流智能化調(diào)速運(yùn)行。在此之前國(guó)內(nèi)外10 kV礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器尚沒(méi)有廠家研制成功投入使用，2018 年，焦作煤業(yè)（集團(tuán)）委托我們公司針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行立項(xiàng)攻關(guān)，由我們公司針對(duì)高瓦斯煤礦研制1 600 kW/10 kV 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器替代煤礦井下的液力耦合器作為膠帶機(jī)啟動(dòng)及調(diào)速裝置，以解決此問(wèn)題。

1 主煤流輸送系統(tǒng)現(xiàn)狀及問(wèn)題     主煤流輸送系統(tǒng)采用液力耦合器作為啟動(dòng)裝置，其組成示意圖如圖1 所示，其中，1#為卸載滾筒；3#為同軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒；5#為后電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒；6#，7#為張緊小車滾筒。

    圖1 中，3#同軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒由2 臺(tái)710 kW/10 kV 電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)，5#后電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒由1 臺(tái)

710 kW/10 kV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用直接啟動(dòng)方式，電機(jī)傳動(dòng)軸與減速機(jī)通過(guò)液力耦合器相連接，減速 機(jī)的低速軸驅(qū)動(dòng)滾筒，滾筒帶動(dòng)膠帶運(yùn)行，液力耦合器作為啟動(dòng)裝置。在啟動(dòng)時(shí)，調(diào)整液力耦合器的機(jī)械效率為零，電機(jī)直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流達(dá)到額定電流的4～8.4倍［1］。由于煤礦井下電網(wǎng)容量小，啟動(dòng)時(shí)不僅會(huì)引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動(dòng)，還會(huì)造成電機(jī)內(nèi)部機(jī)械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)象。同時(shí)由于啟動(dòng)時(shí)間短、加載力大，容易引起皮帶斷裂和老化。另外液力耦合器長(zhǎng)時(shí)間工作引起其內(nèi)部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動(dòng)等情況發(fā)生，加大維護(hù)難度和成本，漏油污染環(huán)境。當(dāng)3 臺(tái)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，3臺(tái)電機(jī)因無(wú)功率平衡措施致使輸出功率不會(huì)平衡，運(yùn)行也難以同步，這也將導(dǎo)致電機(jī)頻繁損壞，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率。

2 基于礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻技術(shù)的主煤流輸送系統(tǒng)技術(shù)方案及控制策略

2.1 技術(shù)方案

    2018 年焦作煤業(yè)（集團(tuán)）委托我公司針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行立項(xiàng)攻關(guān)，由我公司針對(duì)高瓦斯煤礦研制1 600 kW/10 kV 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器替代煤礦井下的液力耦合器作為膠帶機(jī)啟動(dòng)及調(diào)速裝置。系統(tǒng)采用2 臺(tái)我公司生產(chǎn)的1600 kW/10 kV BPBJV-1600/10礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器。

    圖2為主煤流系統(tǒng)方案示意圖。

   主煤流系統(tǒng)方案按照系統(tǒng)最大產(chǎn)能配置，最大產(chǎn)能時(shí)，由1#變頻器驅(qū)動(dòng)1#電機(jī)和2#電機(jī)（見(jiàn)圖2），2#變頻器驅(qū)動(dòng)3#電機(jī)，實(shí)現(xiàn)3 臺(tái)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行；當(dāng)產(chǎn)量沒(méi)有達(dá)到最大產(chǎn)能時(shí)，可以由用戶自主選擇1#變頻驅(qū)動(dòng)1#電機(jī)和2#電機(jī)運(yùn)行、2#變頻待機(jī)，或由1#變頻器驅(qū)動(dòng)1#電機(jī)或2#電機(jī)、2#變頻器驅(qū)動(dòng)3#電機(jī)主從同步運(yùn)行；當(dāng)煤礦產(chǎn)量很小時(shí)，可以選擇1#或2#變頻器驅(qū)動(dòng)任意1 臺(tái)電機(jī)單電機(jī)運(yùn)行。2 臺(tái)變頻器之間通過(guò)光纖進(jìn)行通訊以實(shí)現(xiàn)高精度功率平衡運(yùn)行。主煤流系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)了根據(jù)產(chǎn)能靈活選擇運(yùn)行模式，提高了系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)靈活性，同時(shí)按需選擇運(yùn)行模式可實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能運(yùn)行效果。同時(shí)，變頻器具有短路、漏電、過(guò)流、過(guò)載保護(hù)等完善的保護(hù)功能，有效解決了過(guò)去頻繁出現(xiàn)的電機(jī)燒毀問(wèn)題。

2.2 BPBJV-1600/10 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器特點(diǎn)

    BPBJV-1600/10 高壓防爆變頻器是基于先進(jìn)矢量控制技術(shù)的超低諧波高壓變頻器，可以很好地滿足煤礦井下輸送設(shè)備10 kV防爆電動(dòng)機(jī)的的調(diào)速軟啟軟?？刂菩枰?。

    BPBJV-1600/10 高壓防爆變頻器完全遵循最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和等同最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采用最新一代矢量控制的力矩控制模式，可實(shí)現(xiàn)低速大力矩，允許更高的過(guò)載和啟動(dòng)力矩，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快；能夠根據(jù)負(fù)載的變化及電機(jī)的性能、在拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)、自動(dòng)對(duì)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行磁通優(yōu)化、可將包括電機(jī)和變頻器在內(nèi)的電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的效率提高1%～10%，使用戶獲得更多的節(jié)能效益；具備超強(qiáng)的抗電網(wǎng)波動(dòng)能力：10 kV（-25%～+15%），48 脈沖整流，諧波更小，抗電網(wǎng)波動(dòng)能力更強(qiáng)；采用高效水冷設(shè)計(jì)，體積小、噪音低。

    BPBJV-1600/10 高壓防爆變頻器具有功率平衡功能，通過(guò)光纖及優(yōu)異的功率平衡算法控制電機(jī)輸出功率平衡，具有完善的電機(jī)保護(hù)功能和變頻器保護(hù)功能。

2.3 主煤流輸送系統(tǒng)的負(fù)載自適應(yīng)調(diào)速節(jié)能控制策略

    要實(shí)現(xiàn)主煤流輸送系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)煤量自適應(yīng)調(diào)速節(jié)能運(yùn)行，必須要能夠計(jì)量運(yùn)煤量的大小，傳統(tǒng)的做法是安裝電子秤，電子秤一般采用放射性元素而且故障率高。針對(duì)此問(wèn)題，作者在采集、分析主煤流輸送系統(tǒng)以往運(yùn)行數(shù)據(jù)及調(diào)研實(shí)際主煤流輸送系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出了基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的主煤流輸送系統(tǒng)煤量估算公式，能夠根據(jù)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩自動(dòng)估算輸送機(jī)上的煤量并智能調(diào)速。

    圖3為智能控制系統(tǒng)控制過(guò)程的示意圖。

    變頻系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩信息查詢并估算當(dāng)前輸送機(jī)所負(fù)荷的煤量大小，與當(dāng)前設(shè)定值進(jìn)行比較、計(jì)算，得到系統(tǒng)所需經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制電機(jī)以經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的目的。詳細(xì)策略如下所示。

    煤量自動(dòng)估算公式如下：

            y=kx+c

  （1）式中：y 為當(dāng)前輸送機(jī)所負(fù)荷的煤量；k 為估算系數(shù)（由智能控制系統(tǒng)計(jì)算）；x為轉(zhuǎn)矩；c為補(bǔ)償量。

    經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速的控制方法如下：     1）系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定3 個(gè)經(jīng)濟(jì)速度，分別為低速、中速和高速，分別對(duì)應(yīng)3 個(gè)速度設(shè)定、3 個(gè)煤量值以及3個(gè)煤量值的單位時(shí)間。

    2）當(dāng)系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)，智能控制系統(tǒng)計(jì)算出的估算煤量在所對(duì)應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)小于低速區(qū)間所設(shè)定的低速煤量時(shí)，智能控制系統(tǒng)輸出信號(hào)控制系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速保持在低速運(yùn)行；當(dāng)智能控制系統(tǒng)計(jì)算出的估算煤量在所對(duì)應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)大于低速區(qū)間所設(shè)定的低速煤量時(shí)，智能控制系統(tǒng)輸出信號(hào)控制系統(tǒng)加速到中速運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)在中速運(yùn)行時(shí)，智能控制系統(tǒng)計(jì)算出的估算煤量在所對(duì)應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)小于中速區(qū)間所設(shè)定的中速煤量時(shí)，智能控制系統(tǒng)輸出信號(hào)控制系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速減速到低速運(yùn)行；當(dāng)智能控制系統(tǒng)計(jì)算出的估算煤量在所對(duì)應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)大于中速區(qū)間所設(shè)定的中速煤量時(shí)，智能控制系統(tǒng)輸出信號(hào)控制系統(tǒng)加速到高速運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)，智能控制系統(tǒng)計(jì)算出的估算煤量在所對(duì)應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)小于高速區(qū)間所設(shè)定的高速煤量時(shí)，智能控制系統(tǒng)輸出信號(hào)控制系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速減速到中速運(yùn)行；當(dāng)智能控制系統(tǒng)計(jì)算出的估算煤量在所對(duì)應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)大于高速區(qū)間所設(shè)定的高速煤量時(shí)，智能控制系統(tǒng)輸出信號(hào)控制系統(tǒng)保持在高速運(yùn)行。 2.4 多電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡控制策略

    主煤流系統(tǒng)是多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，每臺(tái)電機(jī)的負(fù)荷分配平衡是要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在此項(xiàng)目中，變頻器采用具有轉(zhuǎn)矩控制能力的矢量控制方法，系統(tǒng)采用主從控制的方法進(jìn)行功率平衡調(diào)整，主從變頻器的系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

    1）一拖二進(jìn)行同步控制。此項(xiàng)目中，如圖2所示，1#電機(jī)通過(guò)1#減速機(jī)連接至3#滾筒，2#電機(jī)通過(guò)2#減速機(jī)連接至3#滾筒，2 臺(tái)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)的負(fù)載連接方式屬于剛性連接，采用1#變頻器拖2臺(tái)電機(jī)的方式進(jìn)行同步控制。     2）速度控制模式的主從控制。如圖2 所示，3#電機(jī)通過(guò)3#減速機(jī)與5#滾筒連接，3#滾筒與5#滾筒帶動(dòng)膠帶運(yùn)行，2#變頻器驅(qū)動(dòng)3#電機(jī)，這種連接方式屬于柔性連接，系統(tǒng)通過(guò)采用速度控制方式解決同步問(wèn)題，同時(shí)利用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩下垂特性實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩在各電機(jī)上的平均分配。將1#變頻器設(shè)定為主機(jī)，2#變頻器設(shè)定為從機(jī)。

    在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，智能控制系統(tǒng)根據(jù)多電機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩平衡情況，實(shí)時(shí)計(jì)算動(dòng)態(tài)差值，并將差值送入速度調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器采用PID 實(shí)現(xiàn)多電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡控制。當(dāng)從機(jī)轉(zhuǎn)矩低于主機(jī)的轉(zhuǎn)矩時(shí)，智能控制系統(tǒng)將增大從機(jī)轉(zhuǎn)速給定以適當(dāng)增大輸出轉(zhuǎn)矩；當(dāng)從機(jī)轉(zhuǎn)矩高于主機(jī)的轉(zhuǎn)矩時(shí)，智能控制系統(tǒng)將減小從機(jī)轉(zhuǎn)速給定以減小輸出轉(zhuǎn)矩。

3 技術(shù)方案的實(shí)施     2019 年4 月，系統(tǒng)開始安裝并試運(yùn)行。系統(tǒng)試運(yùn)行按照選擇的運(yùn)行模式不同分3 個(gè)階段進(jìn)行。第1 階段，系統(tǒng)以單臺(tái)變頻器拖動(dòng)2 臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，智能調(diào)速效果達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期；第2 階段，系統(tǒng)以主從方式運(yùn)行，每臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)1 臺(tái)電機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，圖5 為一段時(shí)間2臺(tái)變頻器的同步運(yùn)行電流曲線，從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)可得出雙電機(jī)的負(fù)荷不平衡度小于5%；第3 階段，1#變頻器驅(qū)動(dòng)1#和2#電機(jī)，2#變頻器驅(qū)動(dòng)3#電機(jī)，1#變頻器和2#變頻器主從控制。圖6 為一段時(shí)間內(nèi)3 臺(tái)電機(jī)的同步運(yùn)行電流曲線，負(fù)載平衡性能良好，從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)可得出3臺(tái)電機(jī)的負(fù)荷平衡精度為±5%以內(nèi)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不大于50 ms，且系統(tǒng)實(shí)測(cè)的速度同步精度為±0.5%以內(nèi)。

4 經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益     某二礦的主煤流輸送系統(tǒng)經(jīng)過(guò)以上改造，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行4 個(gè)多月，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。首先，BPBJV-1600/10 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，保護(hù)功能完善，電機(jī)損壞和膠帶機(jī)撕裂損壞情況再無(wú)發(fā)生；其次，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，在正常生產(chǎn)期間，主煤流輸送系統(tǒng)因智能調(diào)速節(jié)能效率達(dá)到17.7%，主煤流輸送系統(tǒng)每年節(jié)約的電量超過(guò)100 萬(wàn)度，即1 000 000 kW·h，且系統(tǒng)的負(fù)荷平衡精度可以達(dá)到±5%以內(nèi)，平衡調(diào)整精度比原系統(tǒng)大大提高，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、速度同步精度高，系統(tǒng)運(yùn)行比原系統(tǒng)更平穩(wěn)；第三，BPBJV-1600/3.3 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器具有豐富的通訊接口，能夠完全支持并兼容現(xiàn)有的無(wú)人或少人的智能化生產(chǎn)系統(tǒng)，為建設(shè)智慧礦山打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

5 結(jié)論     自2019 年4 月系統(tǒng)成功投運(yùn)以來(lái)，10 kV 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器運(yùn)行安全穩(wěn)定，性能優(yōu)良，西大巷主煤流智能輸送系統(tǒng)連續(xù)無(wú)故障運(yùn)行，生產(chǎn)效率得到極大提高。變頻器優(yōu)異的調(diào)速性能及完善的保護(hù)功能徹底解決了之前存在的電機(jī)頻繁損毀和膠帶機(jī)撕裂損壞問(wèn)題，系統(tǒng)的可靠性得到保證。變頻器的煤量估算及智能調(diào)速充分解決了系統(tǒng)的電能浪費(fèi)問(wèn)題以及設(shè)備的損耗問(wèn)題，同時(shí)大大減少了運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，有非常好的推廣應(yīng)用價(jià)值。