1、概述
    帶式輸送機是煤礦、冶金、碼頭普遍采用的連續運輸設備，對啟動和制動過程的控制一直是影響帶式輸送機可靠性和經濟性的重要因素。過去很長時間里，液力偶合器以功率適應范圍大；結構較簡單、投資不算太大、可空載啟動、不產生高次諧波等優點成為帶式輸送機的凋速方式主要選擇方向。其缺點主要表現在：有滑差損失，滑差功率損耗變為油的熱量使油溫升高，需要冷卻設備，且投入耦合器前要先將電機工頻啟動，啟動電流較大，并隨著使用時間的延長，機械磨損和老化問題日趨嚴重，故障率增加，電動機效率低，并存在電機間的同步以及出力不均的問題。另外，美國某公司的可控啟動傳輸裝置CST，雖能很好地解決大功率帶式輸送機的啟制動過程的控制，但結構復雜，成本高，同液力偶合器一樣也存在維護量大等問題。
    近年來，變頻技術的應用在我國有了很大的發展，與傳統機械調速方式比較，其優越性日趨突出，以控制精度高，優越的調速和啟制動性能等優點，在節能、減少維護、提高產品質量等方面取得了明顯的效益。目前，以PWM控制、第四代IGBT直接串連三電平、6脈沖變流技術的中小功率低壓變頻器在帶式輸送機上成功地應用，提高了帶式輸送機的運行性能。近幾年，長運距、太傾角、大運量帶式輸送機成為新的發展方向。其安全、經濟、可靠、高效運轉成為新的研究課題。這些帶式輸送機具有線路復雜、驅動功率較大，通常在400 kW以上，且需用多臺電動機驅動的特點，采用低壓變頻方式已顯得不很適宜。在近幾年，隨著以CTO，1GBT, ICCT等自關斷器件的發展，各種適合高壓變頻的主電路拓撲結構研究的進一步深入，高壓大容量變頻調速技術取得了突破性進展。因此。采用高壓變頻調速技術對大功率帶式輸送機進行驅動和控制，以滿足整機動態穩定性及可靠性的要求。是促進能源節約的一種重要手段。
2、高壓交流變頻調速裝置技術指標的確定
    —通過對高壓大容量的變頻器結構特點分析，并結合帶式輸送機調速范圍、靜態速度精度、啟動轉矩等的要求，確定以下主要技術指標做為高壓變頻裝置對帶式輸送機進行驅動和控制的設計依據。
    (1)高一高結構，即6 kV輸入／輸出，不需輸出升壓變壓器，簡化和減少變配電環節的設備，直接適用于6 kV電源系統。
   (2)變頻輸出為單元串聯移相PWM方式，輸出相電壓至少為13電平，線電壓至少為25電平。
    (3)一體化設計，包括輸入干式隔離變壓器，變頻器等所有部件及內部連線，減少占地空間，提高了效率，易于現場的管理維護。
    (4)諧波抑制采用36脈沖整流輸入，符合并優于JEEE519—1992及GB/T145J9—93標準對電壓失真和電流失真的嚴格要求。
    (5)無需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對電機沒有特殊要求，可以使用普通異步電機，電機不必降額使用。電機不會受到共模電壓和dv/dt的影響。
    (6)無需功率因數補償裝置，在20%～100%的負載變化情況內功率因數達到或超過0. 95。
    (7)采用先進的無速度傳感器矢量控制。
    (8)功率單元和主控系統通信采用光纖連接，具有很高的通信速率和抗干擾能力，安全性好。
    (9)啟動轉矩滿足每10min有1min的200%的轉矩過載能力要求，適應輸送機重載啟動要求。
3、設計應用研究
    通過以上對高壓變頻裝置技術指標分析，在甘肅某煤礦主斜井帶式輸送機的設計采用了高壓變頻調速技術，該機長度為1021m，傾角25°，運量350 t/h，在綜合考慮現場實際運行特點，確定該機帶速P=3. 15 mm/s，設計功率Ⅳ=2 x400 kW，采用雙電機、雙滾筒驅動，電機與減速器之間剛性聯接，中間投有其他功率傳遞裝置的驅動單元形式，具有占地空間小，容易布置；能量傳遞的環節少，使驅動系統的效率高，維護工作量小等優點，是帶式輸送機一種最有效經擠的驅動方式。
    傳動形式采用2臺額定輸出功率為600kW、以先進的矢量控制技術構成的高壓變頻調速裝置對2臺400 kW國產普通6 kV高壓電機進行調速控制。高壓柜系統采用KYN28A戶內金屬鎧裝抽出式金屬封閉開關柜，一臺進線柜采用雙回路進線形式，滿足煤礦主斜井供電要求。2臺啟動柜為分斷2臺變頻器的6 kV電源主開關及變頻器旁路時2臺主電機的直接啟動控制及保護，2臺旁路柜作為2臺電機接入變頻電源或工頻電源時的轉換開關。
    傳動裝置及系統結構如圖1所示。
4、監控系統設計
    隨著對帶式輸送機的可靠性和經濟性要求的不斷提高，在充分結合高壓變頻技術以及迅速發展的計算機技術、自動控制技術，并通過對現有控制設備的綜合技術分析，設計了相應的監控系統，該系統基于西門子S7 - 300型PLC邏輯控制，以嵌入式工控機系統為監控中心，用來完成整個系統的數據采集、設備控制、信息傳輸及全過程的可視化監控。有效地解決以下技術難點：
    (1)拖動電機的控制方式。由于該帶式輸送機雙電機、雙滾筒驅動，因此，電機的控制方式是相互關聯的。若2臺電機的傳動都作為獨立的速度控制，運行時，2臺電機的轉矩難以調整。為了滿足2臺電機速度同步，又要2臺電機的轉矩平衡，把控制系統設計為1個速度環、2個電流環的主從控制結構。控制框圖如圖2所示。
    (2)力矩平衡控制。由交流異步電機的機械特性可知，同一型號和功率的2臺電動機的機械特性相同，理論上講，負載在2臺電機間平均分配，2臺電機各承擔1/2的負載。但在實際中，由于2臺電機制造的材料和工藝誤差及2套機械減速裝置的制造誤差，導致2套電機拖動系統的特性很難完全一致，所以負載在兩電機間很難完全平均分配。
    為解決2臺電機的轉矩和拖動功率平衡問題。采用了主從控制方式，主變頻器按照帶式輸送機要求對整個系統進行速度控制，主變頻器的速度調節器的輸出作為轉矩設定值，分派給主變頻器和從變頻器，取2臺電動機在各自系統中的磁通值，把轉矩給定值轉換為電流給定值，進行各自的電流閉環調節，這不僅保證了2臺電動機的出力一致，而且達到了轉矩平衡。
    (3)速度同步控制。由于采用了1臺電機的速度計算值作為內部速度反饋信號，滿足了速度的控制要求，叉由于采用了轉矩平衡控制（轉矩給定為同一值，且采用閉環調節）使2臺電機出力相同，故電機預達到的速度也是一致的。
    (4)啟動加速度控制。由于變頻器的矢量控制技術及轉矩控制功能和快速電流限制功能，使輸送機獲得了比較好的啟制動加速度。優于現行標準規定的0.1—0.3  In／S2輸送機的啟制動加速度值。
    (5)運行速度控制。可以根據實際負載來確定帶式輸送機的實際運行速度，即根據負荷的變化來調整系統速度給定信號。按照實際情況要求，可以采用分級給定和無級調速給定2種方式。
    分級給定是指整個速度按煤量不同，結合帶速、帶強等，分為5級：滿載、煤量大、煤量中、煤量小、驗帶。
    無級調速給定是指采用PLC自動和手動無級給定2種形式，前者由PLC實際檢測負載，當空載或煤量少時，帶式輸送機可以很低的速度維持運轉，隨著負荷的增加，給定速度相應增加。電機速度、輸送帶運轉速度也相應增加，反之亦然。后者通過手動調節旋鈕，實現手動無級調速。
    (6) PLC軟件設計。終端采用梯形圖語言編寫，為提高終端的抗干擾能力，軟件設計中采用了數字濾波、故障自檢、控制口令等措施，保證控制操作的正確性和可靠性。程序設計采用模塊化、功能化結構，便于維護、擴展。
    (7)監控軟件設計。采用MCGS全中文工業自動化控制組態軟件，組建了優質高效的監控系統，用來完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業監控網絡等功能，使帶式輸送機運輸更加安全高效。主監控界面如圖3所示。
    (8)帶式輸送機保護系統。按《煤礦安全規程》的要求，設有沿線急停、溫度、煙霧、縱向撕裂、煤位、跑偏、張緊限位、速度、斷帶、超溫自動灑水等各種常規保護，此外還設有主電機三相定子繞組溫度、前后軸承溫度、變頻器的功率單元柜溫度、隔離變壓器溫度、變頻器故障、高壓開關柜故障等各種故障保護功能。
5、應用情況
     該6 kV高壓變頻調速帶式輸送機于2006年6月安裝調試投入運行以來，運行情況良好，主要表現在以下幾個方面：
    (1)有效地實現啟動加速度控制、運行調速控制、力矩平衡控制及速度同步控制，轉矩和速度控制精確平滑，保持輸送帶動態張力最小，啟制動過程輸送帶無震顫，噪聲低，從而顯著延長了輸送機的使用壽命，并實現經濟運行。
    (2)整機結構合理，設備配置優化，有利于用戶的現場管理和維護，降低了對電網的容量要求和無功損耗。
    (3)對電網諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱、轉矩脈動、噪聲、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以適用于由普通國產電機做為主驅動電機各類帶式輸送機。
    (4)控制面板可完成對系統監控及集控、就地、檢修、手動等不同工況下的操作控制。
    (5)完善的帶式輸送機各種故障檢測及全面的故障監控功能。實現控制系統的自檢、報警、信號記憶。
    (6)通過多功能顯示平臺實現系統的實時數據和歷史數據登錄功能，以及系統各種運行參數／變量的中文顯示。并建立故障排除系統，使用戶在電腦系統的指引下逐步排除故障。
    (7)由于對采用了運行過程的分級和無級調速控制，可根據運煤量大小即時調整帶速，提高了帶式輸送機的工作效率。
6、結  語
    現場應用表明，高壓變頻調速控制系統可有效地改善和提高帶式輸送機啟動、運行控制性能，實現了帶式輸送機的安全、高效、經濟、可靠運轉，延長輸送帶、主驅動電機、減速機等傳動設備的使用壽命。
    為解決帶式輸送機的傳動控制設計及改造、系統監控、節能降耗、提高效率，提出了新的設計思路。
    目前，高壓變頻裝置的一次投入雖較大，但從長期應用的可靠性、壽命、維護量、節能等角度來看，所帶來的經濟效益和社會效益是非常可觀的，尤其在今后發展必將顯示更大的生命力。
6、巷道位移測試，
    巷道位移測試儀器采用SMK -l型鋼環式收斂計，布置4個觀測斷面，各觀測斷面間距35 m。觀測時間安排：開始時每天測1次，7d后每3d測1次，1個月后每周測1次（表2）。通過表2可知，支護的收縮量合適，巷道支護3個月后，圍巖位移趨于穩定，符合使用要求。