1 引言 馬脊梁礦位于大同煤田西北部邊緣地帶,距集團(tuán)公司約50km。井田面積170km2，現(xiàn)有三個(gè)綜采隊(duì)主采侏羅紀(jì)7＃，11＃和14＃煤層,地質(zhì)儲(chǔ)量50.7億t?？刹蓛?chǔ)量29.74億t。井田水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)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(wàn)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(shí)際能力已達(dá)360萬(wàn)t。 2 改造前工作情況 礦井煤流集中由高山主斜井強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)（1996年改造前后設(shè)備參數(shù)見表1送至煤廠洗選外運(yùn)。該機(jī)為雙滾筒三機(jī)拖動(dòng)方式?，F(xiàn)采用三臺(tái)6kV，400kW籠形異步電機(jī)與調(diào)速型液力耦合器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)主動(dòng)滾筒，其中1號(hào)電機(jī)和2號(hào)電機(jī)同軸拖動(dòng)卸煤滾筒。該拖動(dòng)系統(tǒng)由于1996年技術(shù)改造時(shí)的先天不足而存在著嚴(yán)重問題。 2.1 存在的嚴(yán)重問題 （1）各液力耦合器由于工作條件苛刻,現(xiàn)場(chǎng)條件較差,使得閉環(huán)伺服系統(tǒng)功能喪失。導(dǎo)致三臺(tái)耦合器內(nèi)部充油壓力不勻,滑差不等,傳動(dòng)效率不一致,造成1號(hào)和2號(hào)同軸傳動(dòng)系統(tǒng)周期性震動(dòng)劇烈。成為樓板共振的主要振源。 （2）機(jī)頭樓層的樓板澆筑厚度為10cm，樓層主次梁的強(qiáng)度及布局設(shè)計(jì)是針對(duì)改造前的拖動(dòng)裝置的，而現(xiàn)在的拖動(dòng)裝置由于電機(jī)功率增大。減速機(jī)體積增加，同是又增加了調(diào)速型液力耦合器，促使三臺(tái)拖動(dòng)裝置各增加了一個(gè)聯(lián)軸環(huán)節(jié),電機(jī)距主梁距離增加了1.5m，電機(jī)軸向中心線偏離次梁中心0.3m，使樓層無(wú)法吸收傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的振波。該樓層5個(gè)窗戶玻璃無(wú)法安裝，只好全部封堵，司控室地板磚全震碎，圖牌無(wú)法上墻，為減輕震動(dòng)影響，在該樓層下支了8根6m長(zhǎng)的木柱。 （3）液力耦合器技術(shù)條件要求嚴(yán)格，工作條件苛刻，自身故障率高。 2.2 由于以上三個(gè)問題的存在而又衍生出以下幾個(gè)問題，這幾個(gè)問題互相依賴，惡性循環(huán) （1）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(chǎng)也很難達(dá)到要求，即使達(dá)到，也由于系統(tǒng)震動(dòng)劇烈而又難以保持。反過來即加劇震動(dòng)，又使自身軸承壽命縮短。 （2）由于同軸傳動(dòng)的液力耦合器滑差不等，傳動(dòng)效率不同，使得減速機(jī)各級(jí)齒輪變差液嚙合狀況變差，滾動(dòng)嚙合過程存在著滑動(dòng)，從而導(dǎo)致二軸及三軸齒出現(xiàn)疲勞片狀剝蝕，高速軸軸承易損，機(jī)箱殼體研磨等，既增加自身震動(dòng)烈度，又反過來影響各聯(lián)軸節(jié)的同軸度。 （3）由于液力耦合器因工作壓力高而導(dǎo)致油溫高，其專用水冷卻器為266根Ф12×Ф10×1200紫銅管組成，細(xì)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(fù)其冷確效果。使液力耦合器長(zhǎng)時(shí)期在高壓，高溫,高速的工況下工作，使得工作油稀釋，化學(xué)成分變化，軸承潤(rùn)滑狀況惡化，泵輪平衡鉛塊因孔殼膨脹飛脫，而導(dǎo)致動(dòng)靜失衡,自身震動(dòng)加劇,現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)難度加大,故障頻繁,成為制約礦井生產(chǎn)的一個(gè)重要原因。 3 改造地點(diǎn)及技術(shù)條件 基于強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)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(dòng)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(dǎo)對(duì)此問題高度重視，礦長(zhǎng)郭海同一方面全面及時(shí)的向集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)反映情況，爭(zhēng)取技改立項(xiàng)和資金，另一方面組織本礦技術(shù)人員搜集資料，進(jìn)行技改方案論證。在集團(tuán)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(yuǎn)平及吳興利副總工程師的具體組織及機(jī)電處的大力協(xié)助下，經(jīng)公開招標(biāo)，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(duì)該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，同時(shí)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(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的控制要求。 IGBT高壓變頻器擬安裝地點(diǎn)為高山主斜井井口配電室，用以驅(qū)動(dòng)STJ-1000/3×400型強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)，該斜井傾角及膠帶機(jī)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(jī)為四層樓結(jié)構(gòu)。1號(hào)和2號(hào)驅(qū)動(dòng)設(shè)備安裝在第四層，同軸驅(qū)動(dòng)卸煤滾筒；3號(hào)驅(qū)動(dòng)設(shè)備安裝在三層井口底板上，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)下皮帶。全樓有10t天車一臺(tái)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(yàn)的一切硬件設(shè)施。 4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(qiáng)力膠帶機(jī)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(shí)技術(shù)協(xié)議中也有許多具體要求，但由于該膠帶機(jī)為在線生產(chǎn)設(shè)備，故此2004年7月1日安裝投運(yùn)以來按生產(chǎn)工況需求進(jìn)行如下試驗(yàn)。 （1）功率自動(dòng)平衡功能 通過觸摸屏液晶顯示，三機(jī)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(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。 （2）重載起動(dòng)能力 過載設(shè)定150％，轉(zhuǎn)矩提升設(shè)定為35％，起動(dòng)時(shí)間設(shè)定為100s，起動(dòng)平穩(wěn)無(wú)沖擊。 （3）軟起軟停功能 起動(dòng)時(shí)間100s，停機(jī)設(shè)定20s，各種正常工況起停平穩(wěn)無(wú)沖擊。 （4）功率裕度 電機(jī)功率為400kW，變頻器功率為500kVA，可任意組合，雙機(jī)重載起停平穩(wěn)，變頻器長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)正常，體現(xiàn)了冗余技術(shù)。 （5）輸出電量品質(zhì) 國(guó)標(biāo)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(shí)（持續(xù)時(shí)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(chǎng)調(diào)試運(yùn)行正常后實(shí)測(cè)。 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(shí)基本一致。而進(jìn)線電網(wǎng)電壓諧波則高達(dá)24.8％。 （6）共模電壓和電流測(cè)試 佳靈公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)比國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格）。在調(diào)試正常后（互感器變比為60：1），經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(dòng)過程中共模電流會(huì)短時(shí)超標(biāo)，但最大僅為0.79A，不影響正常起動(dòng)。 （7）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(dá)20kHz，電磁輻射較嚴(yán)重，內(nèi)部干擾也很嚴(yán)重。經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)行相當(dāng)平穩(wěn)可靠。 （8）低頻性能 該設(shè)備設(shè)計(jì)調(diào)整范圍為0.5Hz～120Hz，恒轉(zhuǎn)矩頻段為6Hz～60Hz，在此頻段運(yùn)行頻率可任意設(shè)定，遠(yuǎn)控頻率轉(zhuǎn)換功能為6級(jí)：25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)低頻降容運(yùn)行的節(jié)能需求。 （9）保護(hù)功能 通過現(xiàn)場(chǎng)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(hù)，風(fēng)機(jī)斷電保護(hù)等功能靈敏，其他如接地、電涌、過電壓因無(wú)發(fā)生此類故障，故本機(jī)無(wú)顯示。 （10）故障率 該設(shè)備自2004年7月1日正式投運(yùn)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(jì)或質(zhì)量方面的缺陷，而導(dǎo)致個(gè)別保護(hù)的誤動(dòng)作；截止10月24日（10月20日至24日為本礦停產(chǎn)檢修時(shí)間），廠家對(duì)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(dòng)作,此階段故障率為零。即是前期保護(hù)誤動(dòng)作后,經(jīng)復(fù)位操作,也很快就能恢復(fù)運(yùn)行,對(duì)生產(chǎn)影響甚微。 5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況 該套變頻設(shè)備自2004年7月1日20時(shí)投運(yùn)至今，兩年多來，根據(jù)故障情況，基本可分為三個(gè)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(jī)運(yùn)行階段。該階段主要因1號(hào)和2號(hào)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(hào)回路和2號(hào)回路輸出互相干擾、電壓波形畸變，同軸傳動(dòng)的兩臺(tái)電機(jī)有三臺(tái)次繞組絕緣因過電壓而擊穿，被迫雙機(jī)運(yùn)行，以維持生產(chǎn)。后廠家增加了一個(gè)電抗器，將1號(hào)和2號(hào)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(jī)聯(lián)運(yùn)階段。此階段正處于變頻器壽命的早期失效期（三個(gè)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(hù)和電干擾引起的誤動(dòng)作。保護(hù)動(dòng)作頻度最高時(shí)達(dá)到一天6次，最長(zhǎng)無(wú)保護(hù)運(yùn)行不超過三天，但是保護(hù)動(dòng)作后，只要復(fù)位，便可重新起車，平均需時(shí)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(dòng)板上二級(jí)管容量和抗干擾電容量，將各橋臂上的保護(hù)延時(shí)電容容量由原400PF增加至600PF，運(yùn)行穩(wěn)定性顯著提高。后針對(duì)保護(hù)誤動(dòng)作的具體分析，于10月20日停產(chǎn)檢修后，對(duì)三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的四個(gè)橋臂上的保護(hù)延時(shí)電容容量增加100PF，將三號(hào)柜單片機(jī)芯片予以更換，使保護(hù)誤動(dòng)作問題得以徹底解決。 第三階段，為2004年10月24日至今，無(wú)故障發(fā)生，屬穩(wěn)定運(yùn)行期。試運(yùn)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(jì)效果 6.1 兩種傳動(dòng)方式運(yùn)行參數(shù)的比較 自變頻器投運(yùn)以來，該膠帶輸送機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)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 （1）運(yùn)行節(jié)電 根據(jù)改造前后運(yùn)行的實(shí)際測(cè)量，液力耦合器運(yùn)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(shí)際運(yùn)行20h，據(jù)此計(jì)算。 液力耦合器每天的耗電量2.463萬(wàn)kW·h; 變頻器每天的耗電量2.336萬(wàn)kW·h; 日節(jié)電：2.463-2.336=0.127萬(wàn)kW·h; 日節(jié)約電費(fèi)：從2004年7月份起（工業(yè)用電電價(jià)為0.75元／kW·h），則：0.127×0.75=0.09525萬(wàn)元＝952元／日; 變頻器投運(yùn)四個(gè)月總計(jì):116.5 天, 已節(jié)約電費(fèi)：0.0952×116.5=11.09萬(wàn)元; 年節(jié)約電費(fèi)：0.0952×350=33.32萬(wàn)元。 （2）起動(dòng)節(jié)電 改造前，液力耦合器為電機(jī)高壓直接起動(dòng)，100A量程表頭顯示滿偏轉(zhuǎn)，電機(jī)額電流47.3A，以4～6倍額定電流估算，起動(dòng)電流按4Ie即189.2A計(jì)算，變頻器實(shí)際起動(dòng)電流1.2Ie,即1.2Ie＝56.76A。 液力耦合器起動(dòng)總電流為3×4Ie=567.6A； 變頻器起動(dòng)總電流為：3×1.2Ie=170.28A； 變頻器起動(dòng)電壓為：3000V； 每天按起動(dòng)10次計(jì),變器起動(dòng)時(shí)間60s,液力耦合器30s; 液力耦合器日起動(dòng)總耗電量為:48.2kW·h; 變頻器日起動(dòng)總耗電量為:14.4kW·h; 日起動(dòng)節(jié)約電量:48.2-14.4=33.8kW·h; 日起動(dòng)節(jié)約電費(fèi):33.8×0.75=29.1元; 運(yùn)行以來起動(dòng)節(jié)約電量:33.8×116.5=3937kW·h; 運(yùn)行以來起動(dòng)節(jié)約電費(fèi):3937×0.75=2952.75元; 投運(yùn)四月總節(jié)約電費(fèi):11.09+0.2952=11.385萬(wàn)元; 全年節(jié)約電費(fèi)：350天×（952元＋29.1元）=34.3385萬(wàn)元。 （3）傳動(dòng)效率提高 使帶速提高:3.2-3.15=0.05m/s=180m/h 原小時(shí)運(yùn)力為780t/h，折合皮帶貨載68.8kg/m,則每小時(shí)提高運(yùn)力為1.2t，全天提高運(yùn)力為1.2×20=24t，若煤利潤(rùn)50元/t計(jì)，則增收1200元。 投運(yùn)以來增收：1200×116.5=13.98萬(wàn)元 年增收：1200×350=42萬(wàn)元 （4）三臺(tái)液力偶合器配設(shè)備自身的投入 三臺(tái)退出使用為其它在用設(shè)備備用，每套20萬(wàn)元，計(jì)60萬(wàn)元； 原每月補(bǔ)充油費(fèi)用：3×90＝270kg; 年換油兩次用油2700kg; 月補(bǔ)22＃透平油油費(fèi)用為：270×5.2=0.1404萬(wàn)元（按油價(jià)5.20元/kg計(jì)） 年換油費(fèi)用：2700×5.2＝1.404萬(wàn)元; 年油料費(fèi)用：1.404+0.1404=1.544萬(wàn)元; 三臺(tái)液力耦合器人工除垢,每月需人工12個(gè),每工50元,計(jì)600元,每臺(tái)液力耦合器月維護(hù)費(fèi)用為補(bǔ)油費(fèi)用＋人工除垢費(fèi),即：600+1404=2004元,投運(yùn)四個(gè)月總節(jié)約費(fèi)用:4×2004=8016元,年節(jié)約費(fèi)用:12×2004=24048元。 每臺(tái)液力耦合器每年故障返修一次,每臺(tái)次4萬(wàn)元,3臺(tái)次計(jì)節(jié)約修理費(fèi)12萬(wàn)元,年更換3次,每次10h,影響產(chǎn)量23400t,每噸利潤(rùn)50元,年增加利潤(rùn)23400×50=117萬(wàn)元。 以上各項(xiàng)，以投運(yùn)時(shí)間計(jì)算投資回報(bào)。 節(jié)約電費(fèi)：11.385萬(wàn)元; 提高效率：13.98萬(wàn)元; 減少維護(hù)費(fèi)用：0.8016萬(wàn)元; 總計(jì)：26.165萬(wàn)元。 年增收利潤(rùn)： 節(jié)約電費(fèi)：34.3385萬(wàn)元; 提高效率：42.00萬(wàn)元; 減少維護(hù)費(fèi)用：2.4048萬(wàn)元; 節(jié)約返修配件費(fèi)：12萬(wàn)元; 提高產(chǎn)量增加的利潤(rùn)：117萬(wàn)元； 總計(jì)：207.74萬(wàn)元。 7 結(jié)束語(yǔ) 該套變頻設(shè)備在運(yùn)行的兩年來，確實(shí)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(yùn)行中熱穩(wěn)定性好，調(diào)頻范圍寬，分辨率高，保護(hù)齊全而且靈敏度高，主功率器件自保護(hù)功能良好，運(yùn)行平衡，通訊接口齊全，有利于上位機(jī)和遠(yuǎn)控控制；由于功率自動(dòng)平衡功能好，而使原轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)消除。 由于該套設(shè)備的安全性、先進(jìn)性和創(chuàng)新性，從而獲得2006年煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。 馬脊梁礦正對(duì)機(jī)尾給煤機(jī)進(jìn)行變頻器驅(qū)動(dòng)改造，這樣可以與膠帶機(jī)一塊實(shí)現(xiàn)低頻降容運(yùn)行，有利于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力調(diào)節(jié)和取得更高的節(jié)能效益。