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

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

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

    某二礦位于河南省新鄉(xiāng)輝縣市，是焦作煤業(yè)（集團）新鄉(xiāng)能源有限公司（以下簡稱“焦作煤業(yè)
（集團）”）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 電壓等級的隔爆型高壓電機作為動力裝置，輸送機長度2000 m，海拔高度-800～-626 m，最大傾角16°，設計運量不小于3 000 t/h，膠帶寬度1.4 m，帶速4 m/s，電機功率3×710 kW，采用液力耦合器作為啟動設備，電機損壞較為頻繁，無法實現(xiàn)煤流智能化調速運行。在此之前國內外10 kV礦用隔爆兼本質安全型高壓變頻器尚沒有廠家研制成功投入使用，2018 年，焦作煤業(yè)（集團）委托我們公司針對此問題進行立項攻關，由我們公司針對高瓦斯煤礦研制1 600 kW/10 kV 礦用隔爆兼本質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啟動及調速裝置，以解決此問題。

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

    圖1 中，3#同軸電機驅動滾筒由2 臺710 kW/10 kV 電機同軸驅動，5#后電機驅動滾筒由1 臺

710 kW/10 kV 電機驅動，采用直接啟動方式，電機傳動軸與減速機通過液力耦合器相連接，減速
機的低速軸驅動滾筒，滾筒帶動膠帶運行，液力耦合器作為啟動裝置。在啟動時，調整液力耦合器的機械效率為零，電機直接啟動，啟動電流達到額定電流的4～8.4倍［1］。由于煤礦井下電網(wǎng)容量小，啟動時不僅會引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動，還會造成電機內部機械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)象。同時由于啟動時間短、加載力大，容易引起皮帶斷裂和老化。另外液力耦合器長時間工作引起其內部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動等情況發(fā)生，加大維護難度和成本，漏油污染環(huán)境。當3 臺電機同時運行時，3臺電機因無功率平衡措施致使輸出功率不會平衡，運行也難以同步，這也將導致電機頻繁損壞，嚴重制約了生產效率。

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

2.1 技術方案

    2018 年焦作煤業(yè)（集團）委托我公司針對此問題進行立項攻關，由我公司針對高瓦斯煤礦研制1 600 kW/10 kV 礦用隔爆兼本質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啟動及調速裝置。系統(tǒng)采用2 臺我公司生產的1600 kW/10 kV BPBJV-1600/10礦用隔爆兼本質安全型高壓變頻器。

    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)最大產能配置，最大產能時，由1#變頻器驅動1#電機和2#電機（見圖2），2#變頻器驅動3#電機，實現(xiàn)3 臺電機同時運行；當產量沒有達到最大產能時，可以由用戶自主選擇1#變頻驅動1#電機和2#電機運行、2#變頻待機，或由1#變頻器驅動1#電機或2#電機、2#變頻器驅動3#電機主從同步運行；當煤礦產量很小時，可以選擇1#或2#變頻器驅動任意1 臺電機單電機運行。2 臺變頻器之間通過光纖進行通訊以實現(xiàn)高精度功率平衡運行。主煤流系統(tǒng)方案實現(xiàn)了根據(jù)產能靈活選擇運行模式，提高了系統(tǒng)的機動靈活性，同時按需選擇運行模式可實現(xiàn)最佳節(jié)能運行效果。同時，變頻器具有短路、漏電、過流、過載保護等完善的保護功能，有效解決了過去頻繁出現(xiàn)的電機燒毀問題。

2.2 BPBJV-1600/10 礦用隔爆兼本質安全型高壓變頻器特點

    BPBJV-1600/10 高壓防爆變頻器是基于先進矢量控制技術的超低諧波高壓變頻器，可以很好地滿足煤礦井下輸送設備10 kV防爆電動機的的調速軟啟軟?？刂菩枰?。

    BPBJV-1600/10 高壓防爆變頻器完全遵循最新國際標準和等同最新國際標準的國家標準，采用最新一代矢量控制的力矩控制模式，可實現(xiàn)低速大力矩，允許更高的過載和啟動力矩，轉矩響應快；能夠根據(jù)負載的變化及電機的性能、在拖動電機運行時、自動對電機拖動系統(tǒng)進行磁通優(yōu)化、可將包括電機和變頻器在內的電機拖動系統(tǒng)的效率提高1%～10%，使用戶獲得更多的節(jié)能效益；具備超強的抗電網(wǎng)波動能力：10 kV（-25%～+15%），48 脈沖整流，諧波更小，抗電網(wǎng)波動能力更強；采用高效水冷設計，體積小、噪音低。

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

2.3 主煤流輸送系統(tǒng)的負載自適應調速節(jié)能控制策略

    要實現(xiàn)主煤流輸送系統(tǒng)根據(jù)運煤量自適應調速節(jié)能運行，必須要能夠計量運煤量的大小，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。針對此問題，作者在采集、分析主煤流輸送系統(tǒng)以往運行數(shù)據(jù)及調研實際主煤流輸送系統(tǒng)運行特點的基礎上，創(chuàng)造性地提出了基于電機轉矩的主煤流輸送系統(tǒng)煤量估算公式，能夠根據(jù)變頻器驅動電機運行時的輸出轉矩自動估算輸送機上的煤量并智能調速。

    圖3為智能控制系統(tǒng)控制過程的示意圖。

    變頻系統(tǒng)根據(jù)電機轉矩信號，進行轉矩信息查詢并估算當前輸送機所負荷的煤量大小，與當前設定值進行比較、計算，得到系統(tǒng)所需經(jīng)濟轉速，進而控制電機以經(jīng)濟轉速運行，以達到系統(tǒng)節(jié)能的目的。詳細策略如下所示。

    煤量自動估算公式如下：

            y=kx+c

  （1）式中：y 為當前輸送機所負荷的煤量；k 為估算系數(shù)（由智能控制系統(tǒng)計算）；x為轉矩；c為補償量。

    經(jīng)濟轉速的控制方法如下：
    1）系統(tǒng)預先設定3 個經(jīng)濟速度，分別為低速、中速和高速，分別對應3 個速度設定、3 個煤量值以及3個煤量值的單位時間。

    2）當系統(tǒng)在低速運行時，智能控制系統(tǒng)計算出的估算煤量在所對應的單位時間內小于低速區(qū)間所設定的低速煤量時，智能控制系統(tǒng)輸出信號控制系統(tǒng)運行轉速保持在低速運行；當智能控制系統(tǒng)計算出的估算煤量在所對應的單位時間內大于低速區(qū)間所設定的低速煤量時，智能控制系統(tǒng)輸出信號控制系統(tǒng)加速到中速運行；當系統(tǒng)在中速運行時，智能控制系統(tǒng)計算出的估算煤量在所對應的單位時間內小于中速區(qū)間所設定的中速煤量時，智能控制系統(tǒng)輸出信號控制系統(tǒng)運行轉速減速到低速運行；當智能控制系統(tǒng)計算出的估算煤量在所對應的單位時間內大于中速區(qū)間所設定的中速煤量時，智能控制系統(tǒng)輸出信號控制系統(tǒng)加速到高速運行；當系統(tǒng)在高速運行時，智能控制系統(tǒng)計算出的估算煤量在所對應的單位時間內小于高速區(qū)間所設定的高速煤量時，智能控制系統(tǒng)輸出信號控制系統(tǒng)運行轉速減速到中速運行；當智能控制系統(tǒng)計算出的估算煤量在所對應的單位時間內大于高速區(qū)間所設定的高速煤量時，智能控制系統(tǒng)輸出信號控制系統(tǒng)保持在高速運行。
2.4 多電機轉矩平衡控制策略

    主煤流系統(tǒng)是多電機傳動系統(tǒng)，每臺電機的負荷分配平衡是要解決的關鍵問題。在此項目中，變頻器采用具有轉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行功率平衡調整，主從變頻器的系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

    1）一拖二進行同步控制。此項目中，如圖2所示，1#電機通過1#減速機連接至3#滾筒，2#電機通過2#減速機連接至3#滾筒，2 臺電機與驅動的負載連接方式屬于剛性連接，采用1#變頻器拖2臺電機的方式進行同步控制。
    2）速度控制模式的主從控制。如圖2 所示，3#電機通過3#減速機與5#滾筒連接，3#滾筒與5#滾筒帶動膠帶運行，2#變頻器驅動3#電機，這種連接方式屬于柔性連接，系統(tǒng)通過采用速度控制方式解決同步問題，同時利用電機的轉矩下垂特性實現(xiàn)負載轉矩在各電機上的平均分配。將1#變頻器設定為主機，2#變頻器設定為從機。

    在系統(tǒng)運行過程中，智能控制系統(tǒng)根據(jù)多電機之間的轉矩平衡情況，實時計算動態(tài)差值，并將差值送入速度調節(jié)器，速度調節(jié)器采用PID 實現(xiàn)多電機負載轉矩平衡控制。當從機轉矩低于主機的轉矩時，智能控制系統(tǒng)將增大從機轉速給定以適當增大輸出轉矩；當從機轉矩高于主機的轉矩時，智能控制系統(tǒng)將減小從機轉速給定以減小輸出轉矩。

3 技術方案的實施
    2019 年4 月，系統(tǒng)開始安裝并試運行。系統(tǒng)試運行按照選擇的運行模式不同分3 個階段進行。第1 階段，系統(tǒng)以單臺變頻器拖動2 臺電機運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，智能調速效果達到設計預期；第2 階段，系統(tǒng)以主從方式運行，每臺變頻器驅動1 臺電機，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，圖5 為一段時間2臺變頻器的同步運行電流曲線，從現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)可得出雙電機的負荷不平衡度小于5%；第3 階段，1#變頻器驅動1#和2#電機，2#變頻器驅動3#電機，1#變頻器和2#變頻器主從控制。圖6 為一段時間內3 臺電機的同步運行電流曲線，負載平衡性能良好，從現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)可得出3臺電機的負荷平衡精度為±5%以內，動態(tài)響應時間不大于50 ms，且系統(tǒng)實測的速度同步精度為±0.5%以內。

4 經(jīng)濟效益及社會效益
    某二礦的主煤流輸送系統(tǒng)經(jīng)過以上改造，已經(jīng)穩(wěn)定運行4 個多月，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。首先，BPBJV-1600/10 礦用隔爆兼本質安全型高壓變頻器運行穩(wěn)定，保護功能完善，電機損壞和膠帶機撕裂損壞情況再無發(fā)生；其次，根據(jù)現(xiàn)場的實際運行情況，在正常生產期間，主煤流輸送系統(tǒng)因智能調速節(jié)能效率達到17.7%，主煤流輸送系統(tǒng)每年節(jié)約的電量超過100 萬度，即1 000 000 kW·h，且系統(tǒng)的負荷平衡精度可以達到±5%以內，平衡調整精度比原系統(tǒng)大大提高，且動態(tài)響應快、速度同步精度高，系統(tǒng)運行比原系統(tǒng)更平穩(wěn)；第三，BPBJV-1600/3.3 礦用隔爆兼本質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)有的無人或少人的智能化生產系統(tǒng)，為建設智慧礦山打下堅實基礎。

5 結論
    自2019 年4 月系統(tǒng)成功投運以來，10 kV 礦用隔爆兼本質安全型高壓變頻器運行安全穩(wěn)定，性能優(yōu)良，西大巷主煤流智能輸送系統(tǒng)連續(xù)無故障運行，生產效率得到極大提高。變頻器優(yōu)異的調速性能及完善的保護功能徹底解決了之前存在的電機頻繁損毀和膠帶機撕裂損壞問題，系統(tǒng)的可靠性得到保證。變頻器的煤量估算及智能調速充分解決了系統(tǒng)的電能浪費問題以及設備的損耗問題，同時大大減少了運營成本，實現(xiàn)了預期效果，有非常好的推廣應用價值。