皮帶機是煤礦井下的主要煤炭運輸設(shè)備，因此，皮帶運輸機的安全高效運行對于提高礦井生產(chǎn)效益具有十分重要的意義。但由于皮帶具有一定的彈性，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，皮帶機應(yīng)采取的啟動方式為軟啟動方式。目前，很多煤礦仍采用液力耦合器來實現(xiàn)軟啟動，但由于其具有能耗高等不足，因而逐漸為變頻技術(shù)所代替。
1、某礦皮帶機系統(tǒng)簡介
某礦井下所使用的皮帶機采用雙機驅(qū)動方式，即采用兩臺電機拖動，電機功率均為1400kW，兩臺電機均安設(shè)在機頭處。該礦皮帶機此前采用液壓耦合器進行驅(qū)動，皮帶機運轉(zhuǎn)期間多次出現(xiàn)皮帶損壞問題，增加了檢修工作量，用電成本較大。
2、變頻器工作原理
(1)變頻器將交流電變換為直流電，最初的交流電是三相或單相的;(2)變頻器將第一步變換的直流電再變換為交流電。此時的交流點是三相或單相的，但從交流電電壓和頻率角度講，它不同于最初的交流電，表現(xiàn)在電機運行曲線上則為該曲線平行下移，這表明電機具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩，即電機以較小的電流啟動重載負荷。
3、煤礦皮帶機變頻調(diào)速方案分析
3.1傳統(tǒng)液耦的不足
(1)增加空載啟動環(huán)節(jié)。若采用液壓耦合器，則應(yīng)首先進行空載啟動，因為工頻啟動時存在較大電流，且一般會超過4倍的電機額定電流。電流產(chǎn)生的瞬時沖擊則會使得電機中的機械應(yīng)力等瞬間變大，進而造成電機內(nèi)部機件的嚴重損壞問題。此外，這種啟動方式還會對電網(wǎng)造成較為嚴重的影響，如電壓下降問題，從而使得其他機電設(shè)備不能正常運轉(zhuǎn)。因此，為避免上述不利情況出現(xiàn)，應(yīng)在皮帶機上安裝軟啟動設(shè)備，常用的軟啟動設(shè)備為水電阻。
(2)水電阻液體溫度過高會造成環(huán)境污染問題。若液壓耦合器工作時間過長，液體溫度則會不斷升高，且達到一定溫度值，就會造成合金塞的熔化問題，進而引發(fā)漏液問題，如此既污染了環(huán)境，還增加了維護工作量。
(3)皮帶強度要求高。若采用液壓耦合器，則皮帶機在很短的時間內(nèi)完成加載工作，這極易使得皮帶承受更大的張力，因而必須增加皮帶的強度，以避免皮帶破壞。
(4)多電機驅(qū)動的功率不平衡問題得不到有效解決。煤礦井下所采用的皮帶機一般長度較大，且承擔運量大的運輸工作，基于此種情況，皮帶機往往采用的驅(qū)動方式為多電機驅(qū)動，而采用此種驅(qū)動方式則面臨的一個問題就是必須解決多電機驅(qū)動的功率不平衡問題，而液壓耦合器則無法有效解決這種不平衡問題。
3.2高壓變頻器的優(yōu)勢
(1)更好實現(xiàn)皮帶機的軟啟動。皮帶機的緩慢啟動是以電機緩慢啟動為基礎(chǔ)的，且電機還能有效釋放膠帶內(nèi)部貯存的能量，因而可大大降低輸送機啟動與停止時的沖擊力，從而避免了膠帶的損壞問題。
(2)較低膠帶強度。由于變頻器的啟動時間可以在一小時內(nèi)調(diào)整，而皮帶機的啟動時間可根據(jù)實際情況在3min內(nèi)進行調(diào)整，因而啟動時間得到延長，這樣就不需要求皮帶具有較高的強度，從而減少設(shè)備的成本。同時，由于啟動沖擊力小，設(shè)備內(nèi)部損壞較小，皮帶機各部件的壽命有效延長。
(3)解決了皮帶機多電機驅(qū)動時的轉(zhuǎn)矩平衡問題。采用變頻驅(qū)動方式時，可通過一拖一控制，即采用主-從或其他控制方式，均能有效實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡。
(4)驗帶功能。為更好地對皮帶機進行檢修工作，則應(yīng)保證皮帶機具有低速驗帶功能。而變頻調(diào)速系統(tǒng)是通過無級調(diào)速的交流傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)變速的，因而，在空載條件下，可在額定帶速內(nèi)任意調(diào)整帶速，便于檢修。
(5)重載啟動平穩(wěn)。由于變頻在低頻運轉(zhuǎn)條件下可輸出超過2倍的額定力矩，因此可實現(xiàn)平穩(wěn)的重載啟動。
(6)自動調(diào)速。在煤流傳感器的作用下，變頻可結(jié)合負載的輕重情況對膠帶速度進行自動調(diào)節(jié)，減少了膠帶的磨損。
(7)節(jié)能。煤炭開采量的變化使得皮帶機的運煤量也會發(fā)生變化，當負載較小甚至空載時，皮帶機仍在高速運行，消耗大量的電能，但由于生產(chǎn)的需要，皮帶機又不能停止。而變頻器可控制皮帶機的運行速度，可實現(xiàn)負載變化的變速，因而大大節(jié)約電能。
3.3煤礦皮帶機變頻調(diào)速方案確定
若皮帶機采用多臺電機拖動，則應(yīng)注意電機之間的協(xié)調(diào)控制問題，因為各電機的輸出是由皮帶耦合實現(xiàn)的。由電機學原理知，若電機存在滑差，則變頻器的輸出頻率會出現(xiàn)偏差，進而造成輸出轉(zhuǎn)矩不平衡問題，甚至出現(xiàn)故障。因此，需采取適當措施，以平衡各機出力?，F(xiàn)場應(yīng)用中，主要有以下三種驅(qū)動方案：
方案一：一拖多并聯(lián)運行方案。這種方案的適用條件為電機(單機)功率小，電機數(shù)量少于3臺，要求低成本。
方案二：主-從控制方案。這種方案的適用條件為要求各電機均衡出力，電機數(shù)量少于3臺，各電機之間間距小，系統(tǒng)簡單。
方案三：統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制方案。這種方案的適用條件為電機數(shù)量超過3臺，電機之間間距較大，系統(tǒng)復雜。結(jié)合該礦現(xiàn)場實際以及各方案適用條件，為更有效地控制負載平衡，確定該礦皮帶機采用方案二即主-從控制方案作為高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。其中，一臺變頻器為主控，以確定輸出轉(zhuǎn)矩，另一臺則由主控變頻器控制，并與其同步運行。變頻調(diào)速系統(tǒng)僅能夠控制電機的轉(zhuǎn)矩，而不能控制從控電機的轉(zhuǎn)速。
1#電機的轉(zhuǎn)速是由主控高壓變頻器控制的，且兩臺電機的輸出轉(zhuǎn)矩也是由主控高壓變頻器發(fā)出的，而2#電機的輸出轉(zhuǎn)矩是由從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制的。為保證電機的轉(zhuǎn)速精度，并將其控制在0.5%以內(nèi)，變頻器應(yīng)采用無速度傳感器矢量控制技術(shù);若精度要求更高，如將其控制在0.1%以內(nèi)，則應(yīng)采用速度傳感器。本主、從高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)均有以下兩種功能：
(1)外部信號連鎖控制功能;(2)報警邏輯信號輸出功能。主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)即可接收來自本地或遠程的指令，也可接收從控系統(tǒng)發(fā)送的指令，此外，從控系統(tǒng)也具有類似主控系統(tǒng)的接收指令程序。
4、應(yīng)用效果分析
現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該礦皮帶機采用主-從控制方案作為高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，可對現(xiàn)場工況進行有效調(diào)節(jié)，不僅改善了系統(tǒng)的自動化程度，而且減少了電能消耗，降低了生產(chǎn)成本。此外，使用該方案后，系統(tǒng)維護工作量減少，且?guī)砹丝捎^的經(jīng)濟效益，并未出現(xiàn)安全問題。
