1 引言
馬脊梁礦位于大同煤田西北部邊緣地帶,距集團公司約50km。井田面積170km2，現有三個綜采隊主采侏羅紀7＃，11＃和14＃煤層,地質儲量50.7億t。可采儲量29.74億t。井田水文地質條件簡單，瓦斯含量低，為低瓦斯礦井。礦井于1996年6月技術改造完成后，核定生產能力為80萬 t。近年來隨著企業內部管理水平的不斷提升，礦井產量逐年增加。實際能力已達360萬t。
2 改造前工作情況
礦井煤流集中由高山主斜井強力膠帶輸送機（1996年改造前后設備參數見表1送至煤廠洗選外運。該機為雙滾筒三機拖動方式。現采用三臺 6kV，400kW籠形異步電機與調速型液力耦合器驅動兩個主動滾筒，其中1號電機和2號電機同軸拖動卸煤滾筒。該拖動系統由于1996年技術改造時的先天不足而存在著嚴重問題。
2.1 存在的嚴重問題
（1）各液力耦合器由于工作條件苛刻,現場條件較差,使得閉環伺服系統功能喪失。導致三臺耦合器內部充油壓力不勻,滑差不等,傳動效率不一致,造成1號和2號同軸傳動系統周期性震動劇烈。成為樓板共振的主要振源。
（2）機頭樓層的樓板澆筑厚度為10cm，樓層主次梁的強度及布局設計是針對改造前的拖動裝置的，而現在的拖動裝置由于電機功率增大。減速機體積增加，同是又增加了調速型液力耦合器，促使三臺拖動裝置各增加了一個聯軸環節,電機距主梁距離增加了1.5m，電機軸向中心線偏離次梁中心0.3m，使樓層無法吸收傳動機構的振波。該樓層5個窗戶玻璃無法安裝，只好全部封堵，司控室地板磚全震碎，圖牌無法上墻，為減輕震動影響，在該樓層下支了8根6m長的木柱。
（3）液力耦合器技術條件要求嚴格，工作條件苛刻，自身故障率高。
2.2 由于以上三個問題的存在而又衍生出以下幾個問題，這幾個問題互相依賴，惡性循環
（1）由于液力耦合器技術要求高，輸入及輸出端的聯軸同軸度均不得大于20mm，現場也很難達到要求，即使達到，也由于系統震動劇烈而又難以保持。反過來即加劇震動，又使自身軸承壽命縮短。
（2）由于同軸傳動的液力耦合器滑差不等，傳動效率不同，使得減速機各級齒輪變差液嚙合狀況變差，滾動嚙合過程存在著滑動，從而導致二軸及三軸齒出現疲勞片狀剝蝕，高速軸軸承易損，機箱殼體研磨等，既增加自身震動烈度，又反過來影響各聯軸節的同軸度。
（3）由于液力耦合器因工作壓力高而導致油溫高，其專用水冷卻器為266根Ф12×Ф10×1200紫銅管組成，細管內結垢后不易清除，即使每次目檢都安排專人“捅”，也不能恢復其冷確效果。使液力耦合器長時期在高壓，高溫,高速的工況下工作，使得工作油稀釋，化學成分變化，軸承潤滑狀況惡化，泵輪平衡鉛塊因孔殼膨脹飛脫，而導致動靜失衡,自身震動加劇,現場維護難度加大,故障頻繁,成為制約礦井生產的一個重要原因。
3 改造地點及技術條件
基于強力膠帶輸送機所存在的上述問題及其在生產環節方面的重要性，原有的驅動及控制已經不能滿足礦井安全及生產的需要，必須立即加以改造，礦黨政領導對此問題高度重視，礦長郭海同一方面全面及時的向集團公司領導反映情況，爭取技改立項和資金，另一方面組織本礦技術人員搜集資料，進行技改方案論證。在集團公司吳漢庭副總經理及張義副總經理的大力支持下，在黃遠平及吳興利副總工程師的具體組織及機電處的大力協助下，經公開招標，決定使用成都佳靈電氣制造有限公司生產的“JCC系列IGBT高壓變頻器”對該驅動系統進行改造，同時使用上普昱礦山設備有限公司生產的“KTW3-380S”主斜井皮帶控制設備，以實現該系統的控制要求。
IGBT高壓變頻器擬安裝地點為高山主斜井井口配電室，用以驅動STJ-1000/3×400型強力膠帶輸送機，該斜井傾角及膠帶機各主要參數如表1所示。該膠帶輸送為在線生產設備，井口機為四層樓結構。1號和2號驅動設備安裝在第四層，同軸驅動卸煤滾筒；3號驅動設備安裝在三層井口底板上，單獨驅動下皮帶。全樓有10t天車一臺和提料通道；三層配電室有足夠的變頻器安裝空間，并有變頻器及控制設備所需的高、低壓電源及通斷設備，四層司控室也有新型控制設備足夠的安裝空間，總之具備變頻器工業試驗的一切硬件設施。
4 現場試驗的主要內容與要求
成都佳靈電氣制造有限公司生產的“IGBT高壓變頻器”是為我礦高山主斜井強力膠帶機的技術改造而量身訂做的，盡管其本身有許多優異特性，在訂做時技術協議中也有許多具體要求，但由于該膠帶機為在線生產設備，故此2004年7月1日安裝投運以來按生產工況需求進行如下試驗。
（1）功率自動平衡功能
通過觸摸屏液晶顯示，三機的三相平均電壓和電流基本一致，為:5.8kV、37A左右（隨掃描頻率而跳變）,整機運行平穩。
（2）重載起動能力
過載設定150％，轉矩提升設定為35％，起動時間設定為100s，起動平穩無沖擊。
（3）軟起軟停功能
起動時間100s，停機設定20s，各種正常工況起停平穩無沖擊。
（4）功率裕度
電機功率為400kW，變頻器功率為500kVA，可任意組合，雙機重載起停平穩，變頻器長時運行，各項指標正常，體現了冗余技術。
（5）輸出電量品質
國標GB12668-90中規定，任意奇次諧波均不起過5％，任何偶次諧波不超過2％，短時（持續時間小于30s）出現的任一次諧波含量不超過10％，經過現場調試運行正常后實測。
輸出電壓諧波為1.2%，4次諧波為0.4%，15次諧波為0.2%，17次諧波為0.2%，且空載和重載時基本一致。而進線電網電壓諧波則高達24.8％。
（6）共模電壓和電流測試
佳靈公司企業標準規定共模電壓有效值不超過2kV，共模電流不得超過0.5A（遠比國外標準嚴格）。在調試正常后（互感器變比為60：1），經現場實測多次：
開關頻率：3.8～3.937kHz；
共模電壓：12.97V×60=778V＜2kV；
共模電流：0.30～0.45A<0.5A。
重載起動過程中共模電流會短時超標，但最大僅為0.79A，不影響正常起動。
（7）電磁兼容性能
該設備使用IGBT絕緣柵雙極晶體管，其開關速度高達20kHz，電磁輻射較嚴重，內部干擾也很嚴重。經過較長時間的現場分析調試，多次調整抗干擾電路電容參數，使得其電磁兼容性能得以良好體現，變頻器運行相當平穩可靠。
（8）低頻性能
該設備設計調整范圍為0.5Hz～120Hz，恒轉矩頻段為6Hz～60Hz，在此頻段運行頻率可任意設定，遠控頻率轉換功能為6級：25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz，完全滿足現場低頻降容運行的節能需求。
（9）保護功能
通過現場故障顯示，證明該套設備具備過載、過壓、欠壓、橋臂主器件自保護，風機斷電保護等功能靈敏，其他如接地、電涌、過電壓因無發生此類故障，故本機無顯示。
（10）故障率
該設備自2004年7月1日正式投運以來，前期故障基本為抗共模電路及抗干擾電路部分元件參數的設計或質量方面的缺陷，而導致個別保護的誤動作；截止10月24日（10月20日至24日為本礦停產檢修時間），廠家對抗干擾電容參數又做了一次調整,在此以后,再未發生過一次誤動作,此階段故障率為零。即是前期保護誤動作后,經復位操作,也很快就能恢復運行,對生產影響甚微。
5 現場試驗情況
該套變頻設備自2004年7月1日20時投運至今，兩年多來，根據故障情況，基本可分為三個階段，各階段故障情況及處理措施如下：
第一階段：為2004年7月1日～7月17日，為雙機運行階段。該階段主要因1號和2號柜共用的直流電抗器參數不匹配。抑制共模干擾效果不好，使 1號回路和2號回路輸出互相干擾、電壓波形畸變，同軸傳動的兩臺電機有三臺次繞組絕緣因過電壓而擊穿，被迫雙機運行，以維持生產。后廠家增加了一個電抗器，將1號和2號單元從直流側分離，這一問題始得解決。
第二階段，為2004年7月18日～10月20日，為三機聯運階段。此階段正處于變頻器壽命的早期失效期（三個月），此階段的故障表現為元器件參數或質量引起的橋臂自保護和電干擾引起的誤動作。保護動作頻度最高時達到一天6次，最長無保護運行不超過三天，但是保護動作后，只要復位，便可重新起車，平均需時間不到5min；故基本能滿足生產需要。此期間的主要措施為更換故障元器件和加大驅動板上二級管容量和抗干擾電容量，將各橋臂上的保護延時電容容量由原400PF增加至600PF，運行穩定性顯著提高。后針對保護誤動作的具體分析，于10月20日停產檢修后，對三個驅動單元的四個橋臂上的保護延時電容容量增加100PF，將三號柜單片機芯片予以更換，使保護誤動作問題得以徹底解決。
第三階段，為2004年10月24日至今，無故障發生，屬穩定運行期。試運行期（2004年7月～10月）產量情況如表2所示:
6 技術經濟效果
6.1 兩種傳動方式運行參數的比較
自變頻器投運以來，該膠帶輸送機的各項運行參數發生了明顯的良性變化。
6.2 節電效果
（1）運行節電
根據改造前后運行的實際測量，液力耦合器運行電壓為6.2kV、電流平均為39A，變頻器輸入電壓6.2kV，電流平均為37A，每天實際運行20h，據此計算。
液力耦合器每天的耗電量2.463萬kW·h;
變頻器每天的耗電量2.336萬kW·h;
日節電：2.463-2.336=0.127萬kW·h;
日節約電費：從2004年7月份起（工業用電電價為0.75元／kW·h），則：0.127×0.75=0.09525萬元＝952元／日;
變頻器投運四個月總計:116.5 天, 已節約電費：0.0952×116.5=11.09萬元;
年節約電費：0.0952×350=33.32萬元。
（2）起動節電
改造前，液力耦合器為電機高壓直接起動，100A量程表頭顯示滿偏轉，電機額電流47.3A，以4～6倍額定電流估算，起動電流按4Ie即189.2A計算，變頻器實際起動電流1.2Ie,即1.2Ie＝56.76A。
液力耦合器起動總電流為3×4Ie=567.6A；
變頻器起動總電流為：3×1.2Ie=170.28A；
變頻器起動電壓為：3000V；
每天按起動10次計,變器起動時間60s,液力耦合器30s;
液力耦合器日起動總耗電量為:48.2kW·h;
變頻器日起動總耗電量為:14.4kW·h;
日起動節約電量:48.2-14.4=33.8kW·h;
日起動節約電費:33.8×0.75=29.1元;
運行以來起動節約電量:33.8×116.5=3937kW·h;
運行以來起動節約電費:3937×0.75=2952.75元;
投運四月總節約電費:11.09+0.2952=11.385萬元;
全年節約電費：350天×（952元＋29.1元）=34.3385萬元。
（3）傳動效率提高
使帶速提高:3.2-3.15=0.05m/s=180m/h
原小時運力為780t/h，折合皮帶貨載68.8kg/m,則每小時提高運力為1.2t，全天提高運力為1.2×20=24t，若煤利潤50元/t計，則增收1200元。
投運以來增收：1200×116.5=13.98萬元
年增收：1200×350=42萬元
（4）三臺液力偶合器配設備自身的投入
三臺退出使用為其它在用設備備用，每套20萬元，計60萬元；
原每月補充油費用：3×90＝270kg;
年換油兩次用油2700kg;
月補22＃透平油油費用為：270×5.2=0.1404萬元（按油價5.20元/kg計）
年換油費用：2700×5.2＝1.404萬元;
年油料費用：1.404+0.1404=1.544萬元;
三臺液力耦合器人工除垢,每月需人工12個,每工50元,計600元,每臺液力耦合器月維護費用為補油費用＋人工除垢費,即：600+1404=2004元,投運四個月總節約費用:4×2004=8016元,年節約費用:12×2004=24048元。
每臺液力耦合器每年故障返修一次,每臺次4萬元,3臺次計節約修理費12萬元,年更換3次,每次10h,影響產量23400t,每噸利潤50元,年增加利潤23400×50=117萬元。
以上各項，以投運時間計算投資回報。
節約電費：11.385萬元;
提高效率：13.98萬元;
減少維護費用：0.8016萬元;
總計：26.165萬元。
年增收利潤：
節約電費：34.3385萬元;
提高效率：42.00萬元;
減少維護費用：2.4048萬元;
節約返修配件費：12萬元;
提高產量增加的利潤：117萬元；
總計：207.74萬元。
7 結束語
該套變頻設備在運行的兩年來，確實體現了其優良的技術特性，與同類產品相比因沒有輸入、輸出變壓器，體積較小，功率及熱容量大，運行中熱穩定性好，調頻范圍寬，分辨率高，保護齊全而且靈敏度高，主功率器件自保護功能良好，運行平衡，通訊接口齊全，有利于上位機和遠控控制；由于功率自動平衡功能好，而使原轉動系統振動消除。
由于該套設備的安全性、先進性和創新性，從而獲得2006年煤炭工業協會科技進步三等獎。
馬脊梁礦正對機尾給煤機進行變頻器驅動改造，這樣可以與膠帶機一塊實現低頻降容運行，有利于實現動力調節和取得更高的節能效益。