高平市姬家山煤礦斜井采用皮帶輸送機上行運煤，皮帶輸送機由一臺三相異步電動機通過液力耦合器及減速器同皮帶輸送機滾筒軸連接，采用手動開關運行方式。皮帶輸送機起動后電機恒速運行，皮帶的速度不能調整。由于皮帶輸送機電機長期工頻運行，不能軟起軟停、加之皮帶輸送機采用液力偶合器實現皮帶軟起動，使得電網電壓的波動劇烈，電機內部機械沖擊劇烈、發熱和磨損大，設備的維護和維修工作量大、能耗高、費用大，另外針對皮帶輸送機起動時間短、加載力大而引起的皮帶易斷裂和老化情況，不得不選用強度很高的皮帶，導致成本加大。為提高皮帶輸送機運行效率、減少設備的維護和維修工作量，節約成本和能源，經過市場調研及對多個改造方案的初期投入費用、維護費用相比較，決定采用變頻器對皮帶輸送機電動機進行改造。
1、皮帶輸送機變頻改造前現場情況
1.1現場基本情況
    煤礦斜井長360m，提升垂直高度為135m，斜井的坡度為220，運輸方式為上行運煤。改造前的拖動方式為電動機一液力偶合器一減速器一皮帶輸送機滾筒軸一皮帶，皮帶輸送機起動后電機工頻恒速運行，手動開關，皮帶的速度不能調整。
    改造前皮帶輸送機電機及皮帶輸送機技術參數：
    電機型號：Y315S;額定功率：llOkW;額定電壓：380V;額定電流：209A
    額定轉速：960rpm;功率因數：coscp=0.81：變頻范圍：10～50Hz
    皮帶機型號：B650;帶速：1.5m/s;帶長：360m;帶寬：650mm
1.2現場皮帶輸送機工作原理及存在問題
    皮帶輸送機是通過電機驅動皮帶輸送機滾筒軸，靠摩擦牽引皮帶運動，而皮帶則通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。由于皮帶是彈性儲能材料，所以在皮帶輸送機停止和運行時皮帶儲存有大量勢能，因此皮帶輸送機起動時應該采用軟起動的方法，將皮帶內部貯存的能量緩慢釋放，使皮帶機在起動過程中形成的張力波降到最小，幾乎不對皮帶造成損害。現場皮帶輸送機是通過采用液力耦合器來實現皮帶輸送機的軟起動，并且在皮帶輸送機起動時調整液力耦合器的機械效率為零，使電機空載起動。該方法的缺點是，雖然采用了降壓空載起動，但電機的起動電流仍比較很大，達到400A以上，這不僅引起電網電壓的劇烈波動，還造成電機內部機械沖擊和發熱等現象。
1.3現場皮帶輸送機電動機動態運行情況
    現場皮帶輸送機采用的電動機是三相異步電動機。由于該皮帶輸送機是向上輸煤至地面，因此電機的輸出轉矩通過減速器轉換后作用在皮帶機驅動滾筒軸上，并與上層皮帶自重沿傳輸面重力分量作用在皮帶機驅動輪轂上的力矩合成。合成的驅動力矩與驅動輪轂受到的皮帶摩擦力阻力合力矩相平衡。皮帶輸送機空載運行時，其電機處于正轉電動態，工作在第一象限；在皮帶上煤后，煤的重力沿皮帶傳輸方向的分力也作用在驅動輪轂上，并使得驅動力矩逐漸增大；在驅動力矩超過摩擦阻力力矩后，驅動輪轂的轉速將加速轉動，通過機械連接使得電機轉子也加速轉動，其速度將超過同步轉速；電機處于正轉再生態，工作在第二象限。電機運行在第一象限內時為電動態，其定子中的旋轉磁場、電機的輸出電磁轉矩與轉子的轉向同向，電機輸出的電磁轉矩是轉子的驅動力矩，此時電機從電網吸收的電能大部分由電磁轉矩作用到轉子上以機械能形式輸出。當電機運行在第二象限內時為再生態，由于轉子切割磁力線的方向發生了改變，所以電機作用到轉子上的電磁轉矩方向也發生改變，成為轉子的制動阻力力矩。此時電機轉子被負載的合成力矩拖著以低于同步轉速的速度轉動。
2、皮帶機變頻改造方案
    根據現場實際情況，考慮到皮帶輸送機上行輸煤時其驅動電機運行在兩個象限內，所以選用的變頻器是二象限型變頻器。同時根據皮帶輸送機的工作情況，使選用的變頻器能夠在電機帶載起動、空載起動或停機時能夠輸出直流制動力矩，保證皮帶機平穩起動、停止，減小機械沖擊，最終確定選用由山西電神電器設備有限公司生產的型號為UP10-132的變頻器。該變頻器技術數據如下。
    額定功率：132kW;額定電壓：380V;額定電流：260A。
    輸出頻率（變頻范圍）0～50Hz;調整精度為士1%HZ。
    保護功能：具有過載、過流、漏電、斷相欠壓，過載能力為200%，60s。
    改造后的拖動方式為變頻器一電動機一減速器一皮帶輸送機滾筒軸一皮帶。
    改造中同時進行了以下工作。
    1)皮帶輸送機變頻改造自動控制系統
    皮帶輸送機控制系統采用電氣柜控制或中控室PLC控制。在中控室設上位監控計算機，使用UP10變頻器組態軟件對皮帶輸送機進行實時監控，并使用該軟件的歷史數據記錄功能記錄歷史數據和報警數據。PLC控制系統完成對變頻器的起、停控制，實現各電機等速起動和同步控制，對電機進行過流、過載、短路、斷路檢測和保護，同時實現對皮帶跑偏檢測、皮帶堆煤等保護。系統采用RS-485作為串行通信接口。另外，還匹配了煤流傳感器，可以根據煤流大小自動調節皮帶帶速。
    2)皮帶輸送機變頻改造的電氣控制
    在皮帶輸送機變頻改造后，將原有的工頻起動電氣柜保留作為工頻旁路，以防止變頻器出現故障影響生產。如果變頻器發生故障，則可以利用原有的工頻起動柜應急運行，迅速轉換到電機直接起動狀態。也即增加的變頻回路與原工頻回路并聯，組成雙回路可轉換控制系統。
    皮帶輸送機變頻調速系統采用“一拖一”工頻自動旁路方案，如圖1所示（圖中QF為原高壓開關柜內帶綜合繼保的高壓斷路器）。工頻旁路主回路系統由兩個隔離開關QSl-QS2和3個真空接觸器KMl-KM3組成，KM3與KM2電氣互鎖。當電機變頻運行時，KM1KM2閉合，同時QS1、QS2閉合；當電機工頻運行時，KM3閉合，同時KM1、KM2斷開。檢修變頻器時，要求QS1、QS2斷開，使變頻器系統處于安全狀態，保證檢修人員的人身安全。
    3)變頻器驅動電動機起動
    變頻器驅動電動機的起動情況也可以分為電動態起動、再生態起動和空載起動。為了防止起動時因為拖動系統速度不為零而造成電機和變頻器發生過載情況，變頻器在電機起動前預先輸出頻率為零赫茲的力矩電流，即變頻器對電機預先輸出一個直流力矩TL與負載力矩相平衡，保證拖動系統起動時初速度為零，這樣變頻器起動后逐漸升高輸出頻率，并保持輸出轉矩基本不變（視起動后負載力矩情況而定），實現電機的帶載起動。在變頻器輸出頻率到達設定頻率后，電機按該頻率下的特征曲線運行。
    4)皮帶輸送機變頻調速系統控制方式
    皮帶機變頻調速系統采用本地／遠程兩種控制方式，即真空接觸器的分合操作可以由遠程控制系統統一協調控制，也可以在現場手動控制操作來完成。
    現場控制：現場通過直接操縱工頻旁路主回路系統真空接觸器分合進行變頻調速系統的控制操作。
    遠程控制：與DCS直接連接，接受DCS系統的控制。通過DCS系統遠程控制工頻旁路主回路系統真空接觸器的分合操作。
3、變頻改造后效益
3.1節能效益
3.2其他效益
    1)電機實現了軟起、軟停運行且起動平滑，轉矩大，沖擊電流減小。
    2)運用變頻器的軟起動功能，將電機的軟起動和皮帶機的軟起動合二為一，真正實現了皮帶輸送機軟起動。
    3)皮帶輸送機調速范圍廣，起動轉矩不變，可實現重載起動且安全可靠。
    4)電機功率因數和皮帶輸送機運行效率明顯提高。
    5)解決了電網電壓的劇烈波動、電機內部機械沖擊劇烈、發熱和磨損等問題和以往液力偶合器維護工作量大，能耗高問題，延長了電機和皮帶輸送機的使用壽命。
    6)可根據負載變化情況自動調整輸出頻率和輸出力矩，使得皮帶輸送機的能耗進一步降低。
    7)降低對皮帶帶強的要求，減少了皮帶損耗，節約了皮帶購置成本。
4、結論
    變頻改造后保證了煤礦正常生產和生產安全可靠性，提高了皮帶輸送機運行效率，減少了皮帶輸送機維護和維修工作量，降低了皮帶輸送機維護和維修費用，節約了能源、增加了煤礦的經濟效益，實現了煤礦對皮帶輸送機變頻改造的預期目的，增強了煤礦進一步技改的信心。