摘要：從礦山運(yùn)送礦石到到生產(chǎn)廠房，只要存在一定的高差，具有一定的位能，就可用變頻器對(duì)電機(jī)勵(lì)磁發(fā)電，變頻器為再生能量傳動(dòng)系統(tǒng)，可將再生能量反饋回電網(wǎng)。一般情況是每天24小時(shí)連續(xù)不斷運(yùn)送，運(yùn)送的礦石量很大，電機(jī)發(fā)電量也大，電能回饋也多。從目前國內(nèi)礦山的情況看，運(yùn)送礦石基本上都是用大噸位的礦用汽車從山上往山下一趟一趟運(yùn)送，既浪費(fèi)了油料，又污染了環(huán)境，而且還占用大量耕地，很可惜。用變頻器驅(qū)動(dòng)下運(yùn)膠帶輸送機(jī)帶發(fā)電機(jī)運(yùn)送礦石，可回收大量的電能，降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力意義重大，這種方法值得推廣。
一、概述
在新型干法水泥生產(chǎn)線，石灰石原料礦山位于直線距離數(shù)公里外的山上。傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式使用大噸位的礦用汽車從山上往山下一趟一趟運(yùn)送礦石，為保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，那就必須先修一條能夠供礦用汽車行駛的道路，只要水泥生產(chǎn)線不停工，礦車就要不間斷地將石灰石從山上運(yùn)到山下。這條道路應(yīng)能承受大噸位的礦用汽車的碾壓，其長度在數(shù)公里以上，占地面積大，投資自然也大，而且運(yùn)輸過程中要消耗不少油料，再考慮到設(shè)備和道路的維護(hù)，運(yùn)行費(fèi)用高，水泥生產(chǎn)成本增高，不利于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。為降低生產(chǎn)成本，考慮到石灰石從山上運(yùn)送到山下的過程中，位能在不斷減少。利用石灰石本身具有的位能，不用消耗其他的能量或消耗很少的電能就可安全地將石灰石從山上運(yùn)送到山下，現(xiàn)在采用較多的就是膠帶輸送機(jī)。本文敘述的膠帶輸送機(jī)，不僅作為運(yùn)輸石灰石的工具，而且還利用位能來發(fā)電，節(jié)能效率非同小可，降低水泥生產(chǎn)電耗意義重大。
二、膠帶運(yùn)輸機(jī)
膠帶輸送機(jī)主要由鋼絲繩芯膠帶、托輥、滾筒、中間架和支推等組成，它廣泛地應(yīng)用在礦山、冶金、煤炭、港口、電站、建材、化工、輕工、石油等各個(gè)行業(yè)，用來輸送松散物料或成件物品，根據(jù)輸送工藝要求，可以單臺(tái)輸送，也可多臺(tái)組成或與其他輸送設(shè)備組成水平或傾斜的輸送系統(tǒng)，以滿足不同布置型式的作業(yè)線需要。膠帶輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部件標(biāo)準(zhǔn)化、維修方便、輸送量大、操作維修簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、適用范圍廣等特點(diǎn)。長距離膠帶輸送機(jī)是一種大運(yùn)輸量輸送設(shè)備，具有輸送連續(xù)、可靠、自動(dòng)化程度高、設(shè)備維護(hù)工作量小、可與工廠總控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一管理、輸送線路按地形布置占有耕地少等特點(diǎn)；同時(shí)物料在運(yùn)輸過程中相對(duì)穩(wěn)定，揚(yáng)塵點(diǎn)少、對(duì)環(huán)境污染小。
某水泥有限公司由兩條500t/d干法水泥生產(chǎn)線，石灰石原料輸送采用長距離曲線膠帶輸送機(jī)輸送，運(yùn)量為1800t/h，破碎站至廠區(qū)料倉的水平距離約為5451m；礦山破碎站翻卸平臺(tái)地坪高程約680m，破碎站帶式給料機(jī)出口高程約662m，膠帶機(jī)輸送終點(diǎn)水泥廠地坪標(biāo)高290m，輸送機(jī)頭部卸料點(diǎn)高程310m，輸送機(jī)下運(yùn)高度約-352m。
以上的數(shù)據(jù)表明1800t的石灰石用1個(gè)小時(shí)的時(shí)間下運(yùn)了352m，由此可計(jì)算出物料向下運(yùn)動(dòng)位能變化產(chǎn)生的動(dòng)能為（忽略摩擦阻力）：
W=mgh=1800×1000×9.8×352=6209280 (千焦)
假設(shè)該動(dòng)能經(jīng)過發(fā)電機(jī)全部轉(zhuǎn)換為電能，則適配的電機(jī)功率為：
P=W/t=1800×1000×9.8×352/3600=1724.8 (kW)
三、膠帶輸送機(jī)控制方案
1、膠帶輸送機(jī)技術(shù)參數(shù)
膠帶輸送機(jī)運(yùn)量：1800t/h
膠帶運(yùn)輸機(jī)水平投影長度：5451m
膠帶輸送機(jī)最大提升高度：-352m
電動(dòng)機(jī)額定功率：2880kW
電機(jī)電壓：交流三相690V（6000V）
膠帶寬度：1400mm
膠帶型號(hào)：ST3150
膠帶運(yùn)行速度：3.3m/s
最大下運(yùn)角度：20度
發(fā)電功率：1200kW
物料粒度：：80mm。
2、控制方案：
長距離的下運(yùn)膠帶輸送機(jī)分為兩段，兩臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)安裝在膠帶機(jī)的尾部，采用尾側(cè)驅(qū)動(dòng)形式。
（1）高壓交流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方案
電動(dòng)機(jī)不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)下運(yùn)膠帶輸送機(jī)。起動(dòng)時(shí)，特別是在帶載起動(dòng)的情況下，會(huì)產(chǎn)生很大的機(jī)械沖擊，使膠帶可能拉斷，帶來嚴(yán)重的后果。為實(shí)現(xiàn)帶載軟起動(dòng)，在起動(dòng)過程中加入液壓制動(dòng)，由此將極大地增加制動(dòng)器的運(yùn)行負(fù)荷，縮短制動(dòng)器的使用壽命，并增大制動(dòng)器的維護(hù)工作量。液壓制動(dòng)器是作為下運(yùn)膠帶輸送機(jī)唯一的應(yīng)急安全保障設(shè)施，不宜在起動(dòng)時(shí)經(jīng)常使用。
當(dāng)物料達(dá)到一定量時(shí)，其位能足以使膠帶機(jī)運(yùn)行起來，下運(yùn)膠帶輸送機(jī)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電，同頻同相且電壓比電源電壓高時(shí)，可將位能轉(zhuǎn)換來的電能送到電網(wǎng)上。停車時(shí)，為實(shí)現(xiàn)軟停車，需要加入制動(dòng)。依據(jù)同樣的原因，這種起動(dòng)、停車時(shí)經(jīng)常使用制動(dòng)系統(tǒng)方案不太合適。
（2）高壓變頻器驅(qū)動(dòng)方案
目前，國內(nèi)生產(chǎn)的6000V或6000V以上的高壓變頻器，其主回路拓?fù)渚捎脝卧?lián)式。由于變頻器主回路結(jié)構(gòu)上的原因，這類變頻器主要用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載上，不能用在有再生能量的場(chǎng)合。下運(yùn)膠帶輸送機(jī)應(yīng)使用三電平高壓變頻器，這類變頻器目前需要進(jìn)口、投資大，從經(jīng)濟(jì)上考慮此方案也不一定合適。
（3）690V變頻器驅(qū)動(dòng)方案
690V變頻器屬于低壓范疇，變頻器技術(shù)較成熟，無須進(jìn)口，價(jià)值也不高，其功能完全能滿足下運(yùn)膠帶輸送機(jī)的工藝要求，而且維修方便，維護(hù)費(fèi)用不高。唯一的缺點(diǎn)是電流較大，為減小線路的損耗，供電線路、變頻器接到電機(jī)的電路的截面積應(yīng)足夠大，增大了初始投資。
該方案不用液壓制動(dòng)系統(tǒng)參與就可實(shí)現(xiàn)長距離膠帶機(jī)的帶載軟起動(dòng)、軟停車、位能發(fā)電回饋電網(wǎng)、以及空載低速驗(yàn)帶等功能。從目前的現(xiàn)狀看，這種既容易實(shí)現(xiàn)，又能滿足使用要求，而且是最經(jīng)濟(jì)的方案。液壓制動(dòng)器僅作為下運(yùn)膠帶輸送機(jī)的應(yīng)急安全保障設(shè)施，是必需的。
變頻器的主回路如圖1所示：
圖1 690V變頻器主回路電路圖
由圖可見，電路有兩逆變單元，右面逆變單元用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、有位能時(shí)為電機(jī)提供勵(lì)磁，并將電機(jī)產(chǎn)生的再生能量由反饋二極管反饋到中間直流環(huán)節(jié)；左面逆變單元在電動(dòng)時(shí)作整流器，在再生時(shí)作逆變將直流環(huán)節(jié)的再生電能回饋到電網(wǎng)。
四、方案實(shí)施
對(duì)上述三個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，考慮到目前技術(shù)狀況和能夠?qū)崿F(xiàn)的條件，最后確定采用第三個(gè)690V變頻驅(qū)動(dòng)方案。
由膠帶輸送機(jī)的技術(shù)參數(shù)：物料下降-352米產(chǎn)生的動(dòng)能為6209280千焦，采用尾側(cè)驅(qū)動(dòng)形式，在兩段膠帶輸送機(jī)的尾部安裝兩臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)額定功率為：2880=1760kW。實(shí)際上，膠帶輸送機(jī)的膠帶相當(dāng)長，其重量大，磨擦力也大，有一部分位能用于克服摩擦力，余下的位能用于發(fā)電，發(fā)電功率1200kW左右。為保證安全運(yùn)行，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?。變頻器選用希望森蘭690V SB70G1100Q6矢量控制變頻器，在膠帶輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)，有時(shí)可能是滿負(fù)荷重載軟起動(dòng)，起動(dòng)力矩要求很大，為可靠性和安全，變頻器的容量適當(dāng)增大。
膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)由PLC控制，PLC位于主控室內(nèi)，主控室遠(yuǎn)離變頻器的安裝地點(diǎn)，用通信線路連接，傳輸距離至少在2km以上，考慮到信號(hào)傳輸?shù)乃俾屎涂煽啃?，采?/span>Profibus協(xié)議。PLC同時(shí)還要蒹顧到液壓制動(dòng)系統(tǒng)和其他安全系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)連鎖綜合保護(hù)。為避免變頻器對(duì)控制系統(tǒng)的干擾，回饋單元之前安裝正弦波濾波器，使回饋到電網(wǎng)的波形經(jīng)濾波后接近正弦波形；另外在電動(dòng)時(shí)，增大了整流回路的內(nèi)阻，降低了非線性元件二極管整流產(chǎn)生的畸變電流對(duì)電網(wǎng)的污染。為補(bǔ)償長線分布電容的影響；并抑制變頻器輸出的諧波分量，抑制電壓脈沖的尖峰，延長電機(jī)的絕緣壽命，變頻器的輸出安裝輸出電抗器。
膠帶輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)后可實(shí)現(xiàn)如下的功能：
（1）可實(shí)現(xiàn)長距離膠帶機(jī)帶載情況下的軟起動(dòng)、軟停車、位能發(fā)電、電能回饋、空載低速驗(yàn)帶功能。
（2）若不用變頻器，長距離膠帶機(jī)帶載情況下的軟起動(dòng)、軟停車只能通過制動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)，由此將極大地增加制動(dòng)器的運(yùn)行負(fù)荷，縮短制動(dòng)器的壽命，并增加制動(dòng)器的維護(hù)工作量。
五、結(jié)語
膠帶輸送機(jī)運(yùn)行后，每天24小時(shí)連續(xù)不斷以1200kW的功率發(fā)電，每年運(yùn)行時(shí)間為11個(gè)月，年總發(fā)電量為964.8萬千瓦時(shí)，節(jié)能量巨大，效率十分可觀。從目前國內(nèi)礦山的情況看，運(yùn)送礦石基本上都是用大噸位的礦用汽車從山上往山下一趟一趟運(yùn)送，既浪費(fèi)了油料，又污染了環(huán)境，而且還占用大量耕地，很可惜。
森蘭科技公司在國內(nèi)首先用變頻回饋解決了下運(yùn)膠帶輸送機(jī)的電能回收，其功率為國內(nèi)最大。對(duì)用戶又有一種可行的變頻調(diào)速節(jié)能方案供選擇；對(duì)森蘭科技公司又多了一款大功率四象限變頻器。
參考文獻(xiàn)：
1、森蘭變頻科技股份有限公司， 森蘭SB70用戶手冊(cè)， 2006.2
2、彭海宇 礦井提升機(jī)的變頻調(diào)速改造 變頻器世界 2006.4
