综采工作面刮板输送机液力耦合器启动与变频器启动对比分析研究

综采工作面刮板输送机液力耦合器启动与变频器启动对比分析研究

唐伟，赵小龙，张佳飞

鄂尔多斯市中北煤化工有限公司

摘要：本文针对综采工作面刮板输送机液力耦合器和变频器两种启动方式进行对比分析，通过对比两种启动方式的工作原理，分析其故障率、效率、功耗等系列因素，总结各自的优缺点，为两种启动方式针对不同环境的使用提供理论依据。

关键词：液力耦合器；变频器；启动；分析

现如今我国煤矿综采工作面刮板输送机所使用的启动装置主要有液力耦合器和变频器两种方式，两种装置的使用各有利弊，不同启动方式适用于不同时期生产需要[1-2]。

1 液力耦合器和变频器工作原理研究分析

1.1 变频器工作原理

变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。交流异步电动机的输出转速由下式确定:

n=60f(1-s)/p (1)

式中：n为电动机的输出转速；f为输入的电源频率；S为电动机的转差率；p电机的极对数；

由上式可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整p)、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整S)和变频调速(调整f)等。变频器从电网接收:工频50Hz的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。将工频交流电变换成为可变频的交流电输出的变换方法主要有两种:一种称为直接变换方式，又称为交交变频方式，它是通过可控整流和可控逆变的方式，将输入的工频电直接强制成为需要频率的交流输出，因而称其为交流-交流的变频方式。另一种称为间接变换方式，又称为交-直交-变频方式，它是先将输入的工频交流电通过全控/半控/不控整流变换为直流电，再将直流电通过逆变单元变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出。

1.2 液力偶合器工作原理

调速型液力偶合器由泵轮、涡轮、转动外壳、导流管等组成。泵轮将电动机的机械能转变成工作油的动能和势能，而涡轮则将工作油的动能和势能又转变为输出轴的机械能，从而实现能量的柔性传递。只要改变导流管的位置，就能改变偶合器中工作油的充满度，从而可以在原动机转速不变的条件下实现软起动和调速功能。

耦合器的主要工作部件为泵轮和涡轮，其中泵轮与电动机联接，涡轮与减速器输入轴联接，泵轮与涡轮之间充满工作介质水。工作时，电动机带动泵轮旋转进而带动工作介质的旋转，最终驱动涡轮的旋转,将动能传递给减速器，这就是调速型液力耦合器的工作原理。现用于煤矿井下的耦合器为阀控调速型液力耦合器，其工作过程与普通液力耦合器相似，但其在工作过程中水介质充滿工作腔和排出工作腔的工序是通过电磁先导阀控制的，这样就可以任意控制工作介质在工作腔中的充滿程度，进而达到在启动过程中与控制系统的配合，最终实现电动机及整个系统的平稳启动。

2 故障率分析

2.1 变频器

  低压变频器多安装在现场机柜等场所，这些场所粉尘较大，不利于类似低压变频器电力电子类设备的可靠运行，安装在具有腐蚀性气体和粉尘场所的变频器故障率尤为较高。同时如果不能定期对变频器功率器件的散热器内的粉尘进行清理，会造成散热器效果降低，影响变频器的使用寿命。装置操作人员对变频器操作方式不当也是影响变频器使用寿命的一个重要原因，例如对于运行中的变频器不通过正常的变频器停机方式停运变频器，而是通过直接将变频器输入侧的接触器进行分断操作的方式来停运变频器，电机的反电动势对变频器会造成冲击，可能会导致变频器损坏。一般的电机采用同轴风机冷却，当变频器运行频率设定过低，会造成电机低速运行导致冷却风量满足不了要求。
2.2 液力耦合器

启停过程中完全通过工作腔中工作介质充满量来控制，而实际过程中这个量很难精确控制,进而使得启动中的软保护不够稳定。耦合器联接于电动机与减速器之间,一旦发生故障,将影响整台刮板机的启动，因此，耦合器的可靠性也是影响其使用性能的因素之一。液力耦合器机械结构和管路系统复杂,要长期可靠运行，系统维护工作量增大,如果出现故障,无法直接定速运行,必须停机检修。

3 运行效率分析

3.1 液力耦合器调速效率

液力耦合器调速效率近似等于转速比，转速比越小，调速效率就越低。液力耦合器在工况时，转速比一般在0.4~0.98之间。当其小于0.4时，由于转速比小，工作腔内充油量少，气体量较大，工作油升温很快，这时常会出现不稳定状况。

3.2 变频器

高压变频器效率高，无转差损耗，其效率可达到0.95以上，而且不随调速的范围而变化。变频调速通过改变电动机电枢的电压和频率，控制电路本身需很少部分能量消耗，开关速度快的电力电子器件，其损耗也很小，因此交频器可以在全转速范围内保持较高效率运行。

4使用液力耦合器和变频器工作面运输机电机功耗分析

4.1变频器

由于电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于4-7倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。

4.2液力耦合器

由于是通过水介质传递动力,传动效率低,大功率重型刮板机因此损失的功率较为严重。但能很好地保护链条及链轮，电机接近零负载启动，在刮板输送机启动过程中处于工沉状态，电流小，对电机及电网能起到良好的保护作用。

5优缺点总结

5.1变频器

变频器的主要优点分别是:(1)从零可以建立启动力矩以保护链条和链轮。(2)电动机接近零负载启动，电动机在刮板机启动过程中处于工沉状态，电流小，对电机及电网保护良好。(3)对系统实现软连接，可以保护电机及系统。(4)有很好的低电压启动能力。(5)运行过程中遇到大电压降时能起到很好的保护作用。(6)驱动装置比其他相同功率的装置体积小，更适应井下空间狭窄的特点。

变频驱动主要存在以下几方面不足：(1)供电电压低，目前变频一体机最大电压为1140V。(2)生产过程中如果出现变频器方面的故障，维修维护时对矿井工人的技术水平要求高,维修成本高。（3）供电系统复杂、设备多。

5.2 液力耦合器

液力耦合器的主要优点分别是:(1)具有柔性传动自动适应、减缓冲击功能。(2)具有在外载荷超载时保护电机和工作机不受损坏的过载保护功能。(3)具有柔性制动减速功能。（4）结构简单，操作维护简单。（5）除轴承、油封外无任何直接机械摩擦，使用寿命长。

液力耦合器的主要缺点分别是:(1)始终存在转差率，有转差功率损失。(2)输出转速始终低于输入转速，且输出转速不能像齿轮传动那样准确不变。(3)调速型液力耦合器需要附加冷却系统，增加投资费用和运行费用。(4)占地面积较大，需要在动力机与工作机之间占有一定空间。

7 结语

针对综采工作面刮板输送机液力耦合器和变频器两种启动方式进行了综合分析，总结了各自的优缺点，为两种启动方式的使用提供了理论依据，

参考文献：

[1]马振武,张海波,张世丽,吴云雁,李高峰.高压变频器在煤矿综采工作面刮板输送机上的应用[J].煤,2017,26(10):45-46+50.