輸送機(jī)常用驅(qū)動(dòng)方式的選擇

目前，在煤礦建設(shè)中，長(zhǎng)距離、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)的需求迅速增長(zhǎng)。由于膠帶機(jī)具有大慣量的特點(diǎn)，起、制動(dòng)過(guò)程需要電機(jī)提供高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如果在起動(dòng)過(guò)程中，未采用軟啟動(dòng)方式，可能會(huì)有以下問(wèn)題：①驅(qū)動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大沖擊，同時(shí)又造成供電線路壓降過(guò)大；②傳動(dòng)設(shè)備要承受猛烈沖擊，膠帶張力過(guò)大會(huì)危害輸送帶及其它部件；③膠帶和滾筒之間可能發(fā)生嚴(yán)重打滑，加速膠帶的損耗；④多臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)還存在多臺(tái)電機(jī)的負(fù)載分配問(wèn)題；為此人們不斷研究，開(kāi)發(fā)新的設(shè)備和技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的軟啟動(dòng)。目前實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的主要方式分為機(jī)械和電氣兩大類(lèi)。機(jī)械方式：包括使用液力偶合器，CST（線性濕式離合器），等；電氣方式：主要為變頻調(diào)速（其它還有串電阻啟動(dòng)等方法，因在煤礦不經(jīng)常采用，這里不再討論）下面詳細(xì)介紹各種軟啟動(dòng)方式。
1 液力偶合器
1.1　液力偶合器鐵粉壓球機(jī)工作原理和特點(diǎn)　液力偶合器是一種液力傳動(dòng)裝置，又稱(chēng)液力連軸器。液力耦合器的結(jié)構(gòu)主要由殼體、渦輪、泵輪三個(gè)部分組成。泵輪和渦輪相對(duì)安裝，統(tǒng)稱(chēng)為工作輪。在泵輪和渦輪上有徑向排列的平直葉片，泵輪和渦輪互不接觸。兩者之間有一定的間隙(約3mm～4mm);泵輪與渦輪裝合成一個(gè)整體后，其軸線斷面一般為圓形，在其內(nèi)腔中充滿液壓油，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)液力耦合器的殼體和泵輪一同轉(zhuǎn)動(dòng)，泵輪葉片內(nèi)的液壓油在泵輪的帶動(dòng)下隨之一同旋轉(zhuǎn)。在離心力的作用下，液壓油被甩向泵輪葉片外緣處，并在外緣處沖向渦輪葉片，使渦輪在受到液壓油沖擊力而旋轉(zhuǎn);沖向渦輪葉片的液壓油沿渦輪葉片向內(nèi)緣流動(dòng)，返回到泵輪內(nèi)緣，然后又被泵輪再次甩向外緣。液壓油就這樣從泵輪流向渦輪，又從渦輪返回到泵輪而形成循環(huán)的液流。液力耦合器中的循環(huán)液壓油，在從泵輪葉片內(nèi)緣流向外緣的過(guò)程中，泵輪對(duì)其做功，其速度和動(dòng)能逐漸增大；而在從渦輪葉片外緣流向內(nèi)緣的過(guò)程中，液壓油對(duì)渦輪做功，其速度和動(dòng)能逐漸減小。液壓油循環(huán)流動(dòng)的產(chǎn)生，是泵輪和渦輪之間存在著轉(zhuǎn)速差，使兩輪葉片外緣處產(chǎn)生壓力差。液力耦合器工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能通過(guò)泵輪傳給液壓油，液壓油在循環(huán)流動(dòng)的過(guò)程中又將動(dòng)能傳給渦輪輸出。液壓油在循環(huán)流動(dòng)的過(guò)程中，除受泵輪和渦輪之間的作用力之外，沒(méi)有受到其他任何附加的外力。根據(jù)作用力與反作用力相等的原理，液壓油作用在渦輪上的扭矩應(yīng)等于泵輪作用在液壓油上的扭矩，這就是液力耦合器的工作原理。
液力耦合器調(diào)速原理表明，傳動(dòng)速度的改變，實(shí)質(zhì)是機(jī)械功率調(diào)節(jié)的結(jié)果。因此液力耦合器輸出轉(zhuǎn)速的降低，實(shí)際是輸出功率減小。在調(diào)速過(guò)程中，液力耦合器的原傳動(dòng)轉(zhuǎn)速?zèng)]有發(fā)生變化，假設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，原傳動(dòng)的機(jī)械功率也不變，那么輸入與輸出功率的差值功率那里去了呢，顯然是被液力耦合器以熱能形式損耗掉了。設(shè)原傳動(dòng)功率為PM1，輸出功率為PM2，損耗功率則為：ΔP=PM1-PM2。
由以上公式說(shuō)明液力耦合器是一種耗能型的機(jī)械調(diào)速裝置，調(diào)速越深(轉(zhuǎn)速越低)損耗越大，對(duì)于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速平方率變化，原傳動(dòng)輸入功率則按轉(zhuǎn)速的平方率降低，損耗功率相對(duì)小一些，但輸出功率是按轉(zhuǎn)速的立方率減小，調(diào)速效率仍然很低。
1.2　液力偶合器的優(yōu)缺點(diǎn)　①調(diào)速范圍寬，可實(shí)現(xiàn)從零調(diào)節(jié)；②沒(méi)有電氣連接，可工作于危險(xiǎn)場(chǎng)地，對(duì)環(huán)境要求不高；③價(jià)格便宜，技術(shù)成熟；④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便；⑤能量轉(zhuǎn)換效率低；⑥液壓油老化后定時(shí)更換。
2 CST（線性濕式離合器）
2.1 CST（線性濕式離合器）的工作原理 CST是一個(gè)由多級(jí)齒輪減速器加上濕式離合器及液壓控制組成的系統(tǒng)。CST的輸出扭矩是由液壓控制系統(tǒng)控制的，隨著離合器上所加的液壓壓力而變化。
對(duì)于CST裝置，操作者可根據(jù)需要，通過(guò)控制器設(shè)置所需要的加速度曲線和啟動(dòng)時(shí)間。在收到啟動(dòng)信號(hào)后，電機(jī)先空載啟動(dòng)，達(dá)到額定速度后，液壓系統(tǒng)開(kāi)始增加離合器反應(yīng)盤(pán)系統(tǒng)的壓力。當(dāng)反應(yīng)盤(pán)相互作用時(shí)，其輸出力矩將與液壓系統(tǒng)的壓力成正比。設(shè)在輸出軸上的速度傳感器，檢測(cè)出速度并反饋給控制系統(tǒng)，該速度信號(hào)將與控制系統(tǒng)設(shè)定的加速度曲線比較，其差值將用于調(diào)整反應(yīng)盤(pán)壓力，從而確保穩(wěn)定的加速度斜率。
在啟動(dòng)過(guò)程中，離合器滑差所產(chǎn)生的熱量將由流經(jīng)反應(yīng)盤(pán)的冷卻液帶走并經(jīng)熱交換系統(tǒng)散熱。冷卻液、減速器潤(rùn)滑液以及液壓控制系統(tǒng)的液壓油采用相同的油。
2.2 CST的特點(diǎn) 一條膠帶機(jī)可以由一臺(tái)電機(jī)及一臺(tái)CST驅(qū)動(dòng)，也可以由多臺(tái)電機(jī)及多臺(tái)CST驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在負(fù)載（膠帶機(jī)）起動(dòng)之前啟動(dòng)，此時(shí)CST的輸出軸保持不動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到滿轉(zhuǎn)速時(shí)，控制系統(tǒng)逐漸增加到每臺(tái)CST離合器上的液壓壓力，起動(dòng)膠帶機(jī)并逐漸加速到滿速度。這使得膠帶機(jī)在被加速至滿速度之前有一個(gè)緩慢而均勻的預(yù)拉伸過(guò)程。加速時(shí)間可以根據(jù)需要在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以按順序空載啟動(dòng)，所以電機(jī)的沖擊電流非常小。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以根據(jù)運(yùn)行負(fù)載進(jìn)行選擇而不必根據(jù)起動(dòng)負(fù)載選擇，所以CST驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以選用功率較小的電機(jī)。
同樣CST也可以象控制壓球機(jī)用膠帶機(jī)的起動(dòng)那樣控制膠帶機(jī)的停車(chē)，通過(guò)延長(zhǎng)停車(chē)時(shí)間可以降低對(duì)膠帶的動(dòng)態(tài)沖擊力。
當(dāng)一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中有多臺(tái)CST時(shí)，控制系統(tǒng)可以確保每臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分擔(dān)相同的負(fù)載。合理的功率平衡可以有效地延長(zhǎng)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件的壽命。功率平衡是通過(guò)保持控制每臺(tái)CST離合器的壓力，并允許一臺(tái)或幾臺(tái)CST的離合器進(jìn)行輕微打滑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
皮帶正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)中各CST的功率平衡要求，每臺(tái)CST的離合器或者保持少量打滑狀態(tài)，或者維持壓力以無(wú)打滑方式輸出所要求的扭矩，但系統(tǒng)中任何負(fù)載的增加都將引起離合器打滑，這種情況被稱(chēng)為“軟鎖定”。當(dāng)離合器被軟鎖定時(shí)，任何的瞬間的過(guò)載或沖擊載荷都將引起離合器的打滑，這樣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所有部件，包括聯(lián)軸器、軸承和齒輪等都將在沖擊或過(guò)載時(shí)受到保護(hù)，從而延長(zhǎng)其使用壽命。
與液力耦合器相比由于CST具有電-液控制系統(tǒng)，使得CST可以讓用戶設(shè)定啟動(dòng)、停車(chē)曲線，并在多臺(tái)CST間實(shí)現(xiàn)功率的平衡非常容易。而可調(diào)液力耦合器雖然可接受由簡(jiǎn)單的電信號(hào)，但本質(zhì)還是純機(jī)械的方式。所以無(wú)法提供可控的啟動(dòng)、停車(chē)曲線。
2.3 CST的優(yōu)缺點(diǎn) ①優(yōu)點(diǎn)：a可以讓用戶設(shè)定啟動(dòng)、停車(chē)曲線；b離負(fù)載最近，從而動(dòng)態(tài)相應(yīng)快，對(duì)負(fù)載可精確控制；c減速機(jī)和負(fù)載隔開(kāi)，從而使減速機(jī)的工作條件良好，提高了減速器的壽命；②缺點(diǎn)：a系統(tǒng)復(fù)雜，有液壓、電控兩套系統(tǒng)，維護(hù)需要較高的技術(shù)；b對(duì)大容量膠帶機(jī)用CST須需多路供電，且需高低壓兩種供電電源；c無(wú)法提供可控的啟動(dòng)、停車(chē)曲線；d對(duì)油質(zhì)要求較高；e全套國(guó)外產(chǎn)品，價(jià)格較高。
3　變頻器
3.1 變頻器的工作原理　煤礦企業(yè)干粉壓球機(jī)膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)普遍采用鼠籠式電機(jī)
式中n—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f—電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率（Hz）；p—電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)；s—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。
由此可知，可以通過(guò)改變f、s和p等3種方法控制交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，但由于轉(zhuǎn)差率s和極對(duì)數(shù)p不易改變，因此常用的是改變頻率f。
變頻器是利用電子和可控硅為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率進(jìn)行控制，使電源頻率平滑改變，從而使電動(dòng)機(jī)可以平穩(wěn)地啟動(dòng)，機(jī)械和電應(yīng)力也降至最��；而且能根據(jù)工況隨時(shí)改變頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)膠帶機(jī)帶速的控制。
變頻器分為交直交、交交變頻兩大類(lèi)。目前交直交變頻使用比較廣泛，在此簡(jiǎn)單介紹一下它的工作原理。交直交變頻由順變器、中間濾波環(huán)節(jié)、逆變器三部分組成。順變器的作用是將定壓定頻的交流電變換為可調(diào)直流電，通過(guò)電壓型或電流型濾波器為逆變器提供直流電源。逆變器將直流電源變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電。順變器和逆變器都是晶閘管三相橋式電路，濾波器由電容或電抗器組成，為逆變器提供穩(wěn)定的電壓源或電流源。
3.2 變頻器的特點(diǎn) 目前工業(yè)用變頻器規(guī)格范圍很寬，從幾kW到幾MW都有，近幾年中、高壓大功率變頻器產(chǎn)品逐漸增多。現(xiàn)代變頻器基本都采用矢量調(diào)速技術(shù)，使受控電機(jī)呈現(xiàn)優(yōu)良的調(diào)速特性和滿意的負(fù)載能力。變頻器的加速曲線可以在很寬的范圍內(nèi)設(shè)定，能滿足控制帶式輸送機(jī)加速度的要求。變頻調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性很硬，基本與電機(jī)的固有特性相同。使用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)可以滿足技術(shù)要求。
當(dāng)用多臺(tái)脫硫石膏壓球機(jī)變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1臺(tái)帶式輸送機(jī)時(shí)，會(huì)有一臺(tái)變頻器被指定為主變頻器，其他變頻器指定為從變頻器，主變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制，從變頻器采用速度跟隨控制。運(yùn)行中只對(duì)主變頻器控制，全部從變頻器通過(guò)數(shù)據(jù)通訊，同步地、自動(dòng)跟隨主變頻器實(shí)時(shí)運(yùn)算、動(dòng)態(tài)運(yùn)行，保持良好的主、從關(guān)系和功率平恒。
在下運(yùn)帶式輸送機(jī)上，變頻器可確保電機(jī)輸出足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩以平衡動(dòng)力負(fù)載，使輸送機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行，如果為四象限變頻器，還可以向電網(wǎng)反饋能量。
變頻器能夠提供很低的膠帶運(yùn)行速度，滿足驗(yàn)帶需要，并且變頻器擁有很強(qiáng)的故障診斷能力，可根據(jù)用戶需求提供不同的通訊接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，這是機(jī)械式軟啟動(dòng)裝置所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
3.3 變頻器的優(yōu)缺點(diǎn)
3.3.1 優(yōu)點(diǎn)：①單元占用空間小，容易布置；②能量傳遞的環(huán)節(jié)少，因而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率高；③能量傳遞的環(huán)節(jié)都是剛性的，可靠性高，適用范圍廣；④維護(hù)工作量小。⑤效率高，高達(dá)96%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶閘管大功率調(diào)速裝置；
3.3.2　缺點(diǎn)：①諧波大，大容量對(duì)其他電器設(shè)備有一定的干擾，需加濾波器；②大容量變頻器必須考慮散熱，而且要求環(huán)境清潔，一般需加裝空調(diào)進(jìn)行散熱；
為了更好的對(duì)以上3種膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行對(duì)比請(qǐng)看下表:
通過(guò)以上對(duì)比我們可以得出結(jié)論：
液力耦合器的驅(qū)動(dòng)方式：適用于膠帶機(jī)功率較小，且對(duì)啟動(dòng)特性無(wú)特殊要求或工作環(huán)境比較惡劣無(wú)法使用其他軟啟動(dòng)的情況。這種方式是目前應(yīng)用最廣泛的，憑借可靠的技術(shù)和很高的性價(jià)比，今后也會(huì)有一定的市場(chǎng)。
CST驅(qū)動(dòng)方式：適用于長(zhǎng)距離、大運(yùn)量型煤壓球機(jī)膠帶機(jī)，可對(duì)膠帶機(jī)提供良好的保護(hù)，但設(shè)備造價(jià)較高，須考慮工程預(yù)算。由于設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)成本高，今后會(huì)逐步縮小使用范圍。
變頻器驅(qū)動(dòng)方式：由于價(jià)格問(wèn)題，雖然現(xiàn)在變頻器在膠帶驅(qū)動(dòng)上的及應(yīng)用并不廣泛，但由于變頻器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、與控制系統(tǒng)可以很好的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，且中低壓變頻器的價(jià)格開(kāi)始逐漸具有優(yōu)勢(shì)，在今后工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化規(guī)模不斷擴(kuò)大，性能不斷提高，人員不斷減少的前景下，無(wú)疑變頻器驅(qū)動(dòng)是最具前景的方式。

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