1 引言

　　馬脊梁礦位于大同煤田西北部邊緣地帶,距集團公司約50km。井田面積170km2，現(xiàn)有三個綜采隊主采侏羅紀7＃，11＃和14＃煤層,地質(zhì)儲量50.7億t?？刹蓛α?9.74億t。井田水文地質(zhì)條件簡單，瓦斯含量低，為低瓦斯礦井。礦井于1996年6月技術(shù)改造完成后，核定生產(chǎn)能力為80萬t。近年來隨著企業(yè)內(nèi)部管理水平的不斷提升，礦井產(chǎn)量逐年增加。實際能力已達360萬t。

　　2 改造前工作情況

　　礦井煤流集中由高山主斜井強力膠帶輸送機（1996年改造前后設(shè)備參數(shù)見表1送至煤廠洗選外運。該機為雙滾筒三機拖動方式?，F(xiàn)采用三臺6kV，400kW籠形異步電機與調(diào)速型液力耦合器驅(qū)動兩個主動滾筒，其中1號電機和2號電機同軸拖動卸煤滾筒。該拖動系統(tǒng)由于1996年技術(shù)改造時的先天不足而存在著嚴重問題。

　　2.1 存在的嚴重問題

　　（1）各液力耦合器由于工作條件苛刻,現(xiàn)場條件較差,使得閉環(huán)伺服系統(tǒng)功能喪失。導致三臺耦合器內(nèi)部充油壓力不勻,滑差不等,傳動效率不一致,造成1號和2號同軸傳動系統(tǒng)周期性震動劇烈。成為樓板共振的主要振源。

　　（2）機頭樓層的樓板澆筑厚度為10cm，樓層主次梁的強度及布局設(shè)計是針對改造前的拖動裝置的，而現(xiàn)在的拖動裝置由于電機功率增大。減速機體積增加，同是又增加了調(diào)速型液力耦合器，促使三臺拖動裝置各增加了一個聯(lián)軸環(huán)節(jié),電機距主梁距離增加了1.5m，電機軸向中心線偏離次梁中心0.3m，使樓層無法吸收傳動機構(gòu)的振波。該樓層5個窗戶玻璃無法安裝，只好全部封堵，司控室地板磚全震碎，圖牌無法上墻，為減輕震動影響，在該樓層下支了8根6m長的木柱。

　?。?）液力耦合器技術(shù)條件要求嚴格，工作條件苛刻，自身故障率高。

　　2.2 由于以上三個問題的存在而又衍生出以下幾個問題，這幾個問題互相依賴，惡性循環(huán)

　?。?）由于液力耦合器技術(shù)要求高，輸入及輸出端的聯(lián)軸同軸度均不得大于20mm，現(xiàn)場也很難達到要求，即使達到，也由于系統(tǒng)震動劇烈而又難以保持。反過來即加劇震動，又使自身軸承壽命縮短。

　?。?）由于同軸傳動的液力耦合器滑差不等，傳動效率不同，使得減速機各級齒輪變差液嚙合狀況變差，滾動嚙合過程存在著滑動，從而導致二軸及三軸齒出現(xiàn)疲勞片狀剝蝕，高速軸軸承易損，機箱殼體研磨等，既增加自身震動烈度，又反過來影響各聯(lián)軸節(jié)的同軸度。

　?。?）由于液力耦合器因工作壓力高而導致油溫高，其專用水冷卻器為266根Ф12×Ф10×1200紫銅管組成，細管內(nèi)結(jié)垢后不易清除，即使每次目檢都安排專人“捅”，也不能恢復其冷確效果。使液力耦合器長時期在高壓，高溫,高速的工況下工作，使得工作油稀釋，化學成分變化，軸承潤滑狀況惡化，泵輪平衡鉛塊因孔殼膨脹飛脫，而導致動靜失衡,自身震動加劇,現(xiàn)場維護難度加大,故障頻繁,成為制約礦井生產(chǎn)的一個重要原因。

　　3 改造地點及技術(shù)條件

　　基于強力膠帶輸送機所存在的上述問題及其在生產(chǎn)環(huán)節(jié)方面的重要性，原有的驅(qū)動及控制已經(jīng)不能滿足礦井安全及生產(chǎn)的需要，必須立即加以改造，礦黨政領(lǐng)導對此問題高度重視，礦長郭海同一方面全面及時的向集團公司領(lǐng)導反映情況，爭取技改立項和資金，另一方面組織本礦技術(shù)人員搜集資料，進行技改方案論證。在集團公司吳漢庭副總經(jīng)理及張義副總經(jīng)理的大力支持下，在黃遠平及吳興利副總工程師的具體組織及機電處的大力協(xié)助下，經(jīng)公開招標，決定使用成都佳靈電氣制造有限公司生產(chǎn)的“JCC系列IGBT高壓變頻器”對該驅(qū)動系統(tǒng)進行改造，同時使用上普昱礦山設(shè)備有限公司生產(chǎn)的“KTW3-380S”主斜井皮帶控制設(shè)備，以實現(xiàn)該系統(tǒng)的控制要求。

　　IGBT高壓變頻器擬安裝地點為高山主斜井井口配電室，用以驅(qū)動STJ-1000/3×400型強力膠帶輸送機，該斜井傾角及膠帶機各主要參數(shù)如表1所示。該膠帶輸送為在線生產(chǎn)設(shè)備，井口機為四層樓結(jié)構(gòu)。1號和2號驅(qū)動設(shè)備安裝在第四層，同軸驅(qū)動卸煤滾筒；3號驅(qū)動設(shè)備安裝在三層井口底板上，單獨驅(qū)動下皮帶。全樓有10t天車一臺和提料通道；三層配電室有足夠的變頻器安裝空間，并有變頻器及控制設(shè)備所需的高、低壓電源及通斷設(shè)備，四層司控室也有新型控制設(shè)備足夠的安裝空間，總之具備變頻器工業(yè)試驗的一切硬件設(shè)施。

　　4 現(xiàn)場試驗的主要內(nèi)容與要求

　　成都佳靈電氣制造有限公司生產(chǎn)的“IGBT高壓變頻器”是為我礦高山主斜井強力膠帶機的技術(shù)改造而量身訂做的，盡管其本身有許多優(yōu)異特性，在訂做時技術(shù)協(xié)議中也有許多具體要求，但由于該膠帶機為在線生產(chǎn)設(shè)備，故此2004年7月1日安裝投運以來按生產(chǎn)工況需求進行如下試驗。

　　（1）功率自動平衡功能

　　通過觸摸屏液晶顯示，三機的三相平均電壓和電流基本一致，為:5.8kV、37A左右（隨掃描頻率而跳變）,整機運行平穩(wěn)。

　?。?）重載起動能力

　　過載設(shè)定150％，轉(zhuǎn)矩提升設(shè)定為35％，起動時間設(shè)定為100s，起動平穩(wěn)無沖擊。

　　（3）軟起軟停功能

　　起動時間100s，停機設(shè)定20s，各種正常工況起停平穩(wěn)無沖擊。

　　（4）功率裕度

　　電機功率為400kW，變頻器功率為500kVA，可任意組合，雙機重載起停平穩(wěn)，變頻器長時運行，各項指標正常，體現(xiàn)了冗余技術(shù)。

　　（5）輸出電量品質(zhì)

　　國標GB12668-90中規(guī)定，任意奇次諧波均不起過5％，任何偶次諧波不超過2％，短時（持續(xù)時間小于30s）出現(xiàn)的任一次諧波含量不超過10％，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試運行正常后實測。

　　輸出電壓諧波為1.2%，4次諧波為0.4%，15次諧波為0.2%，17次諧波為0.2%，且空載和重載時基本一致。而進線電網(wǎng)電壓諧波則高達24.8％。

　　（6）共模電壓和電流測試

　　佳靈公司企業(yè)標準規(guī)定共模電壓有效值不超過2kV，共模電流不得超過0.5A（遠比國外標準嚴格）。在調(diào)試正常后（互感器變比為60：1），經(jīng)現(xiàn)場實測多次：

　　開關(guān)頻率：3.8～3.937kHz；

　　共模電壓：12.97V×60=778V＜2kV；

　　共模電流：0.30～0.45A<0.5A。

　　重載起動過程中共模電流會短時超標，但最大僅為0.79A，不影響正常起動。

　?。?）電磁兼容性能

　　該設(shè)備使用IGBT絕緣柵雙極晶體管，其開關(guān)速度高達20kHz，電磁輻射較嚴重，內(nèi)部干擾也很嚴重。經(jīng)過較長時間的現(xiàn)場分析調(diào)試，多次調(diào)整抗干擾電路電容參數(shù)，使得其電磁兼容性能得以良好體現(xiàn)，變頻器運行相當平穩(wěn)可靠。

　　（8）低頻性能

　　該設(shè)備設(shè)計調(diào)整范圍為0.5Hz～120Hz，恒轉(zhuǎn)矩頻段為6Hz～60Hz，在此頻段運行頻率可任意設(shè)定，遠控頻率轉(zhuǎn)換功能為6級：25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz，完全滿足現(xiàn)場低頻降容運行的節(jié)能需求。

　?。?）保護功能

　　通過現(xiàn)場故障顯示，證明該套設(shè)備具備過載、過壓、欠壓、橋臂主器件自保護，風機斷電保護等功能靈敏，其他如接地、電涌、過電壓因無發(fā)生此類故障，故本機無顯示。

　　（10）故障率

　　該設(shè)備自2004年7月1日正式投運以來，前期故障基本為抗共模電路及抗干擾電路部分元件參數(shù)的設(shè)計或質(zhì)量方面的缺陷，而導致個別保護的誤動作；截止10月24日（10月20日至24日為本礦停產(chǎn)檢修時間），廠家對抗干擾電容參數(shù)又做了一次調(diào)整,在此以后,再未發(fā)生過一次誤動作,此階段故障率為零。即是前期保護誤動作后,經(jīng)復位操作,也很快就能恢復運行,對生產(chǎn)影響甚微。

　　5 現(xiàn)場試驗情況

　　該套變頻設(shè)備自2004年7月1日20時投運至今，兩年多來，根據(jù)故障情況，基本可分為三個階段，各階段故障情況及處理措施如下：

　　第一階段：為2004年7月1日～7月17日，為雙機運行階段。該階段主要因1號和2號柜共用的直流電抗器參數(shù)不匹配。抑制共模干擾效果不好，使1號回路和2號回路輸出互相干擾、電壓波形畸變，同軸傳動的兩臺電機有三臺次繞組絕緣因過電壓而擊穿，被迫雙機運行，以維持生產(chǎn)。后廠家增加了一個電抗器，將1號和2號單元從直流側(cè)分離，這一問題始得解決。

　　第二階段，為2004年7月18日～10月20日，為三機聯(lián)運階段。此階段正處于變頻器壽命的早期失效期（三個月），此階段的故障表現(xiàn)為元器件參數(shù)或質(zhì)量引起的橋臂自保護和電干擾引起的誤動作。保護動作頻度最高時達到一天6次，最長無保護運行不超過三天，但是保護動作后，只要復位，便可重新起車，平均需時間不到5min；故基本能滿足生產(chǎn)需要。此期間的主要措施為更換故障元器件和加大驅(qū)動板上二級管容量和抗干擾電容量，將各橋臂上的保護延時電容容量由原400PF增加至600PF，運行穩(wěn)定性顯著提高。后針對保護誤動作的具體分析，于10月20日停產(chǎn)檢修后，對三個驅(qū)動單元的四個橋臂上的保護延時電容容量增加100PF，將三號柜單片機芯片予以更換，使保護誤動作問題得以徹底解決。

　　第三階段，為2004年10月24日至今，無故障發(fā)生，屬穩(wěn)定運行期。試運行期（2004年7月～10月）產(chǎn)量情況如表2所示:

　　6 技術(shù)經(jīng)濟效果

　　6.1 兩種傳動方式運行參數(shù)的比較

　　自變頻器投運以來，該膠帶輸送機的各項運行參數(shù)發(fā)生了明顯的良性變化，詳見表3。

　　6.2 節(jié)電效果

　?。?）運行節(jié)電

　　根據(jù)改造前后運行的實際測量，液力耦合器運行電壓為6.2kV、電流平均為39A，變頻器輸入電壓6.2kV，電流平均為37A，每天實際運行20h，據(jù)此計算。

　　液力耦合器每天的耗電量2.463萬kW·h;

　　變頻器每天的耗電量2.336萬kW·h;

　　日節(jié)電：2.463-2.336=0.127萬kW·h;

　　日節(jié)約電費：從2004年7月份起（工業(yè)用電電價為0.75元／kW·h），則：0.127×0.75=0.09525萬元＝952元／日;

　　變頻器投運四個月總計:116.5 天, 已節(jié)約電費：0.0952×116.5=11.09萬元;

　　年節(jié)約電費：0.0952×350=33.32萬元。

　?。?）起動節(jié)電

　　改造前，液力耦合器為電機高壓直接起動，100A量程表頭顯示滿偏轉(zhuǎn)，電機額電流47.3A，以4～6倍額定電流估算，起動電流按4Ie即189.2A計算，變頻器實際起動電流1.2Ie,即1.2Ie＝56.76A。

　　液力耦合器起動總電流為3×4Ie=567.6A；

　　變頻器起動總電流為：3×1.2Ie=170.28A；

　　變頻器起動電壓為：3000V；

　　每天按起動10次計,變器起動時間60s,液力耦合器30s;

　　液力耦合器日起動總耗電量為:48.2kW·h;

　　變頻器日起動總耗電量為:14.4kW·h;

　　日起動節(jié)約電量:48.2-14.4=33.8kW·h;

　　日起動節(jié)約電費:33.8×0.75=29.1元;

　　運行以來起動節(jié)約電量:33.8×116.5=3937kW·h;

　　運行以來起動節(jié)約電費:3937×0.75=2952.75元;

　　投運四月總節(jié)約電費:11.09+0.2952=11.385萬元;

　　全年節(jié)約電費：350天×（952元＋29.1元）=34.3385萬元。

　?。?）傳動效率提高

　　使帶速提高:3.2-3.15=0.05m/s=180m/h

　　原小時運力為780t/h，折合皮帶貨載68.8kg/m,則每小時提高運力為1.2t，全天提高運力為1.2×20=24t，若煤利潤50元/t計，則增收1200元。

　　投運以來增收：1200×116.5=13.98萬元

　　年增收：1200×350=42萬元

　?。?）三臺液力偶合器配設(shè)備自身的投入

　　三臺退出使用為其它在用設(shè)備備用，每套20萬元，計60萬元；

　　原每月補充油費用：3×90＝270kg;

　　年換油兩次用油2700kg;

　　月補22＃透平油油費用為：270×5.2=0.1404萬元（按油價5.20元/kg計）

　　年換油費用：2700×5.2＝1.404萬元;

　　年油料費用：1.404+0.1404=1.544萬元;

　　三臺液力耦合器人工除垢,每月需人工12個,每工50元,計600元,每臺液力耦合器月維護費用為補油費用＋人工除垢費,即：600+1404=2004元,投運四個月總節(jié)約費用:4×2004=8016元,年節(jié)約費用:12×2004=24048元。

　　每臺液力耦合器每年故障返修一次,每臺次4萬元,3臺次計節(jié)約修理費12萬元,年更換3次,每次10h,影響產(chǎn)量23400t,每噸利潤50元,年增加利潤23400×50=117萬元。

　　以上各項，以投運時間計算投資回報。

　　節(jié)約電費：11.385萬元;

　　提高效率：13.98萬元;

　　減少維護費用：0.8016萬元;

　　總計：26.165萬元。

　　年增收利潤：

　　節(jié)約電費：34.3385萬元;

　　提高效率：42.00萬元;

　　減少維護費用：2.4048萬元;

　　節(jié)約返修配件費：12萬元;

　　提高產(chǎn)量增加的利潤：117萬元；

　　總計：207.74萬元。

　　7 結(jié)束語

　　該套變頻設(shè)備在運行的兩年來，確實體現(xiàn)了其優(yōu)良的技術(shù)特性，與同類產(chǎn)品相比因沒有輸入、輸出變壓器，體積較小，功率及熱容量大，運行中熱穩(wěn)定性好，調(diào)頻范圍寬，分辨率高，保護齊全而且靈敏度高，主功率器件自保護功能良好，運行平衡，通訊接口齊全，有利于上位機和遠控控制；由于功率自動平衡功能好，而使原轉(zhuǎn)動系統(tǒng)振動消除。

　　由于該套設(shè)備的安全性、先進性和創(chuàng)新性，從而獲得2006年煤炭工業(yè)協(xié)會科技進步三等獎。

　　馬脊梁礦正對機尾給煤機進行變頻器驅(qū)動改造，這樣可以與膠帶機一塊實現(xiàn)低頻降容運行，有利于實現(xiàn)動力調(diào)節(jié)和取得更高的節(jié)能效益。