AFE能量反馈制动在下行皮带输送机的应用

AFE 能量反馈制动 在下行皮带 输送机的应用

郭峰，

中国水利水电第九工程局有限公司，贵州贵阳， 550081

【摘要】：带式输送机被广泛应用矿山（水泥、煤炭、金属非金属矿山）、电力系统、港口、码头、工程建设、工厂流水线与输送物料相关的行业的各种场所。带式输送机按照物料提升高度，分为水平输送、上行输送及下行输送，其中下行输送是难点。为了保证下行皮带输送机能正常运行，首先要解决飞车（失速）现象。以往为了防止飞车（失速）都是选择机械制动，机械制动对设备的冲击较大，而且机械制动动作滞后。我介绍能量反馈制动在下行皮带输送机中的应用。

【关键词】：能量反馈制动、应用

皮带输送机由于具备输送物料种类广、输送能力范围广、输送线路适应强、运输效率高、可靠性强、安全性高、费用低等特性优点，被广泛应用矿山（水泥、煤炭、金属非金属矿山）、港口、码头、工程建设、工厂流水线与输送物料相关的行业的各种场所。由于地貌环境及生产工艺及车间工艺布置不同，结合经济效益考虑，会出现水平皮带输送机、上行皮带输送机及下行皮带输送机。

水平运行皮带机即使在运行状态中突然因故障停机，由于皮带自重和物料重量在运动方向上不会产生分力，不会出现滑行、飞车现象，可以不装制动装置。

上行皮带输送机在运行状态因突然故障停机，因为输送带自重和皮带机上堆有大量物料，在重力作用下使皮带输送机产生产生反向加速滑行、倒车现象，导致物料洒落对机械设备和人员构成危险，也对运行环境造成影响。要解决该问题可以通过在上行带式输送机头滚驱动部位增设逆止或制动装置，就很容易实现逆止制动。

下行带式皮带输送机是难点，下行皮带带式输送机本身有沿着皮带机运行方向向下运动速度，再加上较重的物料和皮带输送带自重在重力作用也产生一个沿皮带输送机输送带运行方向产生一个分力，两个分力作用在向下高速运行的皮带输送机带上，产生很大的惯性。假如采用机械制动器制动，将需要给制动器施加较大制动力，产生和需要较长的制动距离，制动过程中产生较大的制动噪音。一般皮带输送机机械制动装置都是靠人工调整闸瓦和制动盘之间的间隙、闸瓦动作时间的快慢等机械制动相关参数，很难调整到合适状态，处理不好最容易出现飞车（失速）、打滑、断带，断轴等情况。

逆止器往往只适用于上行输送的皮带机上，因为逆止器是为了防止上行带式输送机带负荷故障停车时发生倒转现象，而制动器是类似于刹车，采用抱闸闸瓦和制动轮之间的摩擦力来实现制动。长期运行抱闸和制动轮磨损严重，导致闸瓦沿制动轮工作面的间隙逐渐变大，需要经常由专业人员维护抱闸和制动轮。由于皮带机在重负荷高速向下运行，产生的较大惯性，如果闸瓦和制动轮之间间隙调整较小，可能导致短时间刹车刹死，对机械设备产生较大冲击力，可能造成皮带输送机断带、断轴（制动部分轴）并且产出很大的制动噪声。其次，传统抱闸是通过闸瓦和制动轮之间摩擦力制动设备，制动过程中抱闸和制动轮摩擦，导致传统抱闸刹车片和闸瓦磨损严重，更换制动器闸瓦刹车片和制动轮将会影响生产效率。

如果要求制动器能提供可控线性制动力，这就要求采用费用较高的机电液结合制动系统，大大增加了制动器成本。小功率下皮下行输送带机，投资有限，大多采用推杆制动器，在许多工程案例中，由于设计、使用、维护不当，经常出现皮带机失速、断带、断轴现象，给生产带来极大的等安全隐患。

我现在介绍一种能量反馈制动AFE（Active Front End）整流/回馈单元的功能，由于采用了 IGBT 功率元件， 所以它相当于一个逆变器，其输入为交流输出为直流，因为它位于电源进线侧，所以被称为前端。与传统的二极管或可控制硅整流技术相比，主动前端不再是被动地将交流转变成直流，而是具备了很多主动的控制功能。它不仅能消除高次谐波，提高功率因数，而且不受电网波动的影响，具有卓越的动态特性。我们将AFE用于具有较大转动惯量的变频调速系统中，既能提高系统的制动性能，又能达到节能的目的。

应用实例：

下面就以中国水利水电第九工程局有限公司观音岩砂石系统项目A4皮带输送机为例，说明AFE能量反馈制动在下行皮带输送机的应用。

1. 下行皮带输送机参数及功率计算

观音岩A4皮带输送机为下坡皮带机，输送量Q＝3800t/h，输送机水平投影长L=330m，输送机最大倾角β= －8.1°，物料的堆积密度ρ=1.6t/m³，S2处卸料、S1处给料。皮带输送机示意图如下：

1. 胶带机技术参数

输送量：Q＝3800t/h；带宽：B=1400mm；带速：V=3.15m/s；输送带型号：NN250-8；每米输送带质量：q₀ =23.8kg/m；

输送带上每米物料重量：q=Q/3.6V=3800÷（3.6×3.15）=335.1 kg/m；

上托辊转动部分质量：q’=18.3 kg/m；

下托辊转动部分质量：q”=8.27kg/m；

运行阻力系数：ω=0.012 。

2、运行时的总阻力与总圆周力的计算

上分支运行阻力（F1）：

F1=（q+q₀+q’）ω·L·g·cosβ +（q+q₀）·L·g·sinβ＝－131836N

下分支运行阻力（F2）：

F₂ =（q0+q”）ω·L·g·cosβ +q₀·L·g·sinβ=10974 N

运行时的总阻力（F）：

F = F1＋F2＝120862N

输送机运行时传动滚筒的总圆周力：Fu=F＝120862N

3. 电动机功率

传动滚筒轴向功率：P₀＝Fu·V÷1000＝120862×3.15÷1000＝380 kW

电动机功率：P_M＝K₁ P₀ ＝1.45×380＝552kW

根据计算结果结合厂家技术人员建议，确定采用双电机驱动单滚筒形势，则每台电机功率为280KW。

2. AFE能量反馈制动在下行皮带输送机的应用模型

我们所介绍的所采用的模型是LFM（线路滤波器模块）+LFC（线路滤波器电抗器）+AIC（有源馈入交流器）+MDU（电机驱动单元）如下图1所示：

图1 能量反馈制动应用模型

有源前端（AFE）是一种使变频器可以向进线侧回馈能量的装置。它可以实现4象限运行，因此非常适合发电运行模式的所有应用场合。有源前端是一个供电及回馈单元，提供负载状况无关的恒定直流电压，因此可以在直流母线排上并联多台变频器，可实现一拖N控制。

3. 下行皮带输送机发电原理

下行皮带输送机使用AFE装置，制动效果很好。在变频调速系统中，电机运行从运行过程中至减速和停止均通过调节频率实现，在变频器频率减小时，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电机转速未变（转速变化滞后），这时会出现实际转速大于给定转速，电机反电动势高于变频器直流端电压，这时电机就变成发电机，可以通过变频器专用型能量回馈单元AFE向电网送电，这样既有良好的制动效果，又能达到很好的节能效果。

AFE有源前端是一种使变频器可以向进线侧回馈能量的选件，它可以实现4象限运行，因此非常适合发电运行模式的所有应用场合。4象限应用，发电状态是2、4象限

不论是发电机状态还是电机状态，损耗始终存在，但是作用不同。

发电机状态时：电气功率 < 机械功率

电动机状态时：电气功率 > 机械功率

AFE能量回馈制动特别适用于电动机功率较大，设备的转动惯量较大，且重物有向下运动，从高速到低速的减速降幅较大，制动时间又短，需要强力制动的场合，如电力机车、电梯、矿山等行业。

4. AFE能量反馈制动在下行皮带输送机的应用效果

下行皮带机使用传统的制动抱闸制动器，制动器的闸瓦松紧度很难控制。当闸瓦调节比较紧时，出现故障抱闸制动器闸瓦紧抱住闸轮，由于皮带输送机是高速下行重载状态，向下的动能很大，制动抱闸制动器制动力很大，容易产生刹车噪声、制动器闸瓦磨损严重，对输送带和输送机轴产生很大的冲击，可能出现断轴、断带、输送骨料飞出等情况影响安全运行和生产效率。当闸瓦调节比较松时，又不能保证及时刹住车。

1. 使用了AFE能量反馈制动解决了皮带输送机飞车（失速）问题，实现了皮带输送机运行全过程的起、制动和速度控制，保证了设备的正常运行及安全，提高了生产效率。

2. 使用了AFE能量反馈制动可以很好的解决断带，断轴等对设备冲击比较大的问题，延长了设备的使用寿命，减少设备维修时间，提高了生产效率及经济效益。

3. AFE能量反馈装置，可以在下行皮带输送机重载时，发电回馈电网，既能为单位节省大量电费，又能起到节能减排效果。

4. 使用了AFE能量反馈制动，可以防止输送骨料飞出，不仅减轻了运行人员的劳动强度，更重要的是保证了设备及运行人员的安全。

5. 使用了AFE能量反馈制动减少了噪音污染。

参考文献

【1】应成龙,张颖.带式输送机中逆止器的选择及应用.煤矿机械.2007-03-01

【2】杜成臣,田丰.倾斜式带式输送机防溜机方案.港口装卸.2019-03-01
【3】孙诚敏,邢俊杰,刘遂宪.斗式提升机传动机构的研究.粮食与食品工业.2015-02-01
作者简介：郭峰（1986-），男，工程师，研究方向：机电一体化、电气自动化、项目管理等