1、概述
    同忻煤礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)量1000萬t，主斜井輸送機(jī)原設(shè)計(jì)方案采用兩臺(tái)輸送機(jī)搭接，由于系統(tǒng)復(fù)雜，洞室開拓及支護(hù)困難，總投資增大，膠帶壽命降低，帶載停機(jī)時(shí)由于兩條輸送機(jī)停車時(shí)間不同易造成轉(zhuǎn)載點(diǎn)堵煤，輸送機(jī)管理難度大。如采用一臺(tái)輸送機(jī)，采用頭部集中四驅(qū)動(dòng)，輸送機(jī)的單邊最大張力將達(dá)到2100 kN，輸送機(jī)的帶強(qiáng)達(dá)到ST8000，驅(qū)動(dòng)單元也較為龐大達(dá)到4x2 800kW，造成輸送機(jī)的投資大幅度增加；如采用轉(zhuǎn)載式中間驅(qū)動(dòng)布置形式，則可以降低帶強(qiáng)，又能解決轉(zhuǎn)載點(diǎn)堵煤，方便輸送機(jī)的管理。經(jīng)專家會(huì)議商討，最后一致同意采用帶轉(zhuǎn)載式中間驅(qū)動(dòng)一條布置形式。
    由煤炭科學(xué)研究總院上海分院設(shè)計(jì)制造的同煤國電同忻煤礦主斜井帶式輸送機(jī)運(yùn)輸距離4 658 m．提升高度365 m，運(yùn)量為4 800 t/h，裝機(jī)總功率3×1800 +3×1800 kW，采用中間驅(qū)動(dòng)技術(shù)、長距離變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，是目前國內(nèi)設(shè)計(jì)制造的長距離、大運(yùn)量、具有高度自動(dòng)化集成、采用當(dāng)前最先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控技術(shù)，裝機(jī)總功率最大的大型帶式輸送機(jī)。
2、驅(qū)動(dòng)方式確定
    目前能滿足大功率驅(qū)動(dòng)的要求的軟啟動(dòng)裝置有三種：巴杜公司的CST系統(tǒng)，VOITH公司的調(diào)速型液力偶合器及變頻器，前二種能滿足防爆要求，后一種不防爆。以下為三種軟啟動(dòng)方式的比較：
    (1) CST軟啟動(dòng)
    優(yōu)點(diǎn)：
    1)主電機(jī)可實(shí)現(xiàn)分時(shí)空載起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)沖擊小；
  2)可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的功率平衡；
  3)完全可調(diào)節(jié)起動(dòng)速率斜率，軟起動(dòng)、軟制動(dòng)性能良好；
  4)起動(dòng)完成后，在正常運(yùn)行帶速時(shí)，滑差消耗較小，效率較高；
  5)可實(shí)現(xiàn)可控停車；
  6)體積小，占地少，不存在防爆問題，大功率傳動(dòng)國內(nèi)使用較多。
  缺點(diǎn)：
  1)存在滑差損耗，須配套可靠的熱交換設(shè)備；
  2)在功率平衡時(shí)要求主驅(qū)動(dòng)與從驅(qū)動(dòng)間具有差轉(zhuǎn)的區(qū)別；
    3)采用中間驅(qū)動(dòng)時(shí)，頭部驅(qū)動(dòng)站與中間驅(qū)動(dòng)站之間難實(shí)現(xiàn)功率平衡；
    4)低速運(yùn)行發(fā)熱量大，難實(shí)現(xiàn)長時(shí)間慢速驗(yàn)帶；
    5)使用維護(hù)較復(fù)雜，運(yùn)行成本較高。
    (2)變頻軟啟動(dòng)
    優(yōu)點(diǎn)：
    1)可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的功率平衡；
    2)可調(diào)節(jié)起動(dòng)速度斜率，軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)性能良好。采用矢量控制能實(shí)現(xiàn)1.5倍的重載起動(dòng)，限制起動(dòng)電流<10；
    3)電機(jī)+減速器+驅(qū)動(dòng)滾筒的驅(qū)動(dòng)方式，占地少；
    4)無運(yùn)行功率損耗，節(jié)能效果明顯；
    5)響應(yīng)速度快，調(diào)速性能好，可以40%~100%的任何速度長期帶載運(yùn)行，能實(shí)現(xiàn)長時(shí)間慢速驗(yàn)帶；
    6)采用十二脈波整流，三電平輸出技術(shù)可以使諧波影響滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。
    缺點(diǎn)：
    1)無法實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的分時(shí)空載啟動(dòng)，主電機(jī)以額定電流同時(shí)起動(dòng)；
    2)不同類型的變頻器的諧波影響程度不同；
    3)受防爆外殼的限制，井下使用防爆變頻器的容量一般在630 kW/1 140 V以下。
    (3) VOITH調(diào)速型偶合器軟啟動(dòng)
    優(yōu)點(diǎn)：
    1)主電機(jī)可實(shí)現(xiàn)分時(shí)空載起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)沖擊小；
    2)可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的功率平衡；
    3)可調(diào)節(jié)起動(dòng)速率斜率，軟起動(dòng)性能良好，啟動(dòng)時(shí)間能夠控制到幾分鐘；
  4)運(yùn)行維護(hù)簡單。
  缺點(diǎn)：
  1)驅(qū)動(dòng)單元體積較大；
  2)存在滑差損耗，功率平衡精度低，總體效率較低，運(yùn)行及長時(shí)間慢速驗(yàn)帶時(shí)須配套可靠的熱交換設(shè)備。
    通過比較，變頻器以功率因數(shù)高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、使用方便等優(yōu)點(diǎn)已成為帶式輸送機(jī)的一種非常具有競爭力的驅(qū)動(dòng)方案。但是由于變頻器內(nèi)部含有大量非線性電路元件，使得輸出電壓波形不是正弦波，該波形中含有大量諧波成分，通過連接變頻器和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力電纜會(huì)產(chǎn)生高次諧波電流。因此一般類型的變頻器輸出側(cè)到電動(dòng)機(jī)距離通常限制在50 m~100 m內(nèi)。
    由于在論證時(shí)未聞防爆型1800 kW變頻器實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，導(dǎo)致中間驅(qū)動(dòng)的變頻器方案成為主要難點(diǎn)。西門子羅賓康完美無諧波系列高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平移相式PWM技術(shù)，可以使輸出電壓非常接近正弦波，在海上石油鉆井平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了變頻器輸出長線傳輸驅(qū)動(dòng)方案，但在煤炭行業(yè)以及大功率驅(qū)動(dòng)中迄今未聞?dòng)型�類�?yīng)用實(shí)例，后經(jīng)走訪天津渤海石油公司求證長線傳輸驅(qū)動(dòng)可行性和應(yīng)用情況，最終選用西門子羅賓康高壓變頻器，將變頻器安裝在井口機(jī)房，通過長線傳輸?shù)街虚g驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
3、西門子羅賓康高壓變頻器特點(diǎn)
    (1)性能優(yōu)異，輸入和輸出諧波極少（36脈沖整流、13電平逆變）。36脈沖整流輸入符合并優(yōu)于IEEE519—1992及GB/T14519—93標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓失真和電流失真最嚴(yán)格的要求。內(nèi)部變壓器為干式，絕緣等級(jí)為H級(jí)，可靠性高，維護(hù)簡單。
    (2)適應(yīng)電網(wǎng)波動(dòng)要求，電網(wǎng)電壓可下降至55%，變頻器仍能繼續(xù)工作而不跳機(jī)。
    (3)在20%一100%的負(fù)載變化情況內(nèi)達(dá)到或超過0. 95的功率因數(shù)而無需功率因補(bǔ)償裝置。
    (4)無需濾波器，變頻器就可輸出正弦電流和電壓波形，對(duì)電機(jī)沒有特殊的要求，可以使用普通異步電機(jī)，電機(jī)不必降額使用。具有軟起動(dòng)功能，沒有電機(jī)啟動(dòng)沖擊引起的電網(wǎng)電壓下跌。變頻裝置輸出波形不會(huì)引起電機(jī)的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0.1%。變頻器有共振點(diǎn)頻率跳躍功能。
    (5)變頻裝置對(duì)輸出電纜長度及型號(hào)無任何要求，電機(jī)不會(huì)受到共模電壓和dv/dt的影響。
    (6)變頻器可在輸出不帶電機(jī)的情況下進(jìn)行空載調(diào)試，也可在沒有6 kV高壓情況下用低壓電進(jìn)行空載調(diào)試。
    (7)控制采用無速度傳感器矢量控制，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)帶式輸送機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的150%。
    (8)調(diào)速范圍0%一100%連續(xù)可調(diào)，輸出頻率0~50 Hz（根據(jù)電機(jī)情況可設(shè)定）。加／減速時(shí)間0.1—3 600 s（根據(jù)負(fù)載情況可設(shè)定）。
    (9)高一高結(jié)構(gòu)，直接輸出6kV高壓，給6 kV電機(jī)供電。變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，電壓下降45%仍可降額運(yùn)行。
    (10)變頻器本體效率高于98.5%，整體諧波小于2%。
4、系統(tǒng)的控制功能
    系統(tǒng)的控制是基于PLC邏輯控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，主要完成以下功能：
    (1)帶式輸送機(jī)機(jī)故障檢測(cè)及保護(hù)：系統(tǒng)具有完善的故障保護(hù)功能，可對(duì)帶式輸送機(jī)處的堆料、跑偏、驅(qū)動(dòng)滾筒打滑、溫度過高、縱撕等情況進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)也可對(duì)機(jī)頭煙霧狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。
    (2)變頻器故障檢測(cè)：變頻器具有單元過電壓、過電流、欠電壓、缺相、過熱、變頻器過載、電機(jī)過載、輸出接地、輸出短路保護(hù)以及對(duì)隔離變壓器各種保護(hù)等功能。正常情況下，當(dāng)上述故障發(fā)生時(shí)，變頻器會(huì)自動(dòng)根據(jù)故障級(jí)別給出報(bào)警或者保護(hù)停機(jī)，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)又將這些故障信號(hào)引入PLC系統(tǒng)，經(jīng)其判斷綜合后，使系統(tǒng)發(fā)出信息或保護(hù)停機(jī)。
    (3)電動(dòng)機(jī)的速度給定控制：給定控制根據(jù)用戶要求，可以采用兩種方式：①變頻器分級(jí)給定，②PLC無級(jí)調(diào)速給定。
    (4)組建上位機(jī)系統(tǒng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，降低勞動(dòng)量。系統(tǒng)配置的工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能完成如下功能：①監(jiān)測(cè)變頻裝置運(yùn)行狀態(tài)；②電動(dòng)機(jī)速度顯示；③電動(dòng)機(jī)電流監(jiān)測(cè)；④顯示帶式輸送機(jī)輸送過程；⑤運(yùn)輸統(tǒng)計(jì)、管理；⑥故障現(xiàn)實(shí)列表和故障歷史查詢；⑦故障報(bào)表輸出；⑧建立故障排除系統(tǒng)，用戶在電腦系統(tǒng)的指引下可逐步排除故障。
5、電控系統(tǒng)的控制功能
    (1)控制器與變頻器通訊，完成帶式輸送機(jī)開、停控制，并檢測(cè)變頻器運(yùn)行參數(shù)。
    (2)控制盤形閘油泵的開、停，檢測(cè)盤形閘裝置工作狀態(tài)，防止高速抱閘。
    (3)控制張緊裝置的開、停，檢測(cè)張緊裝置工作狀態(tài)。
    (4)檢測(cè)主電機(jī)電氣參數(shù)（速度、電流、溫度等），減速器參數(shù)（溫度）等。
    (5)高、低配電柜狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)（合閘、分閘、故障）。
    (6)實(shí)現(xiàn)與帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)連接，完成輸送帶保護(hù)功能，同時(shí)控制系統(tǒng)具有與前后輸送機(jī)相互閉鎖的功能。
    (7)具有集控、就地及檢修等多種工作方式。
    (8)單機(jī)控制系統(tǒng)可與自動(dòng)化調(diào)度網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)在礦調(diào)度室對(duì)帶式輸送機(jī)的監(jiān)控，并可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量監(jiān)測(cè)、設(shè)備監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)接口。
    (9)考慮制動(dòng)抱閘與變頻軟制動(dòng)的時(shí)間配合，考慮事故停車時(shí)，制動(dòng)器與控制系統(tǒng)的配合。
    (10)在某一個(gè)變頻器的某相的單元變頻器發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)仍可以保證功平衡及速度同步。
    (11)控制系統(tǒng)具有在線檢測(cè)變頻器輸入電壓、電流、輸入有功功率、無功功率、輸入功率因素、累計(jì)用電量、輸出電壓、電流、功率、頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速等，并顯示。
6、主斜井帶式輸送機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)
    (1)該主斜井帶式輸送機(jī)是目前國內(nèi)裝機(jī)功率最大的帶式輸送機(jī)。
    (2)大功率的中間驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
    (3)大功率長距離變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
    同忻煤礦主斜井帶式輸送機(jī)于2009年10月投入試運(yùn)行，2010年3月開始滿負(fù)荷運(yùn)行至今基本正常，滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，目前每月輸送原煤在100～110萬t，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。