关于CST在煤矿井下高压、大功率皮带机拖动系统中的研究与应用
（郑煤集团(河南) 白坪煤业公司，河南 登封 452481）
摘要：通过对煤矿井下高压、大功率皮带机拖动及控制系统存在的问题提出其技术要求及需要解决的问题，对目前国内已有的几种皮带机软启动方式加以比较，确定CST可控起动装置的先进性及可推广型。
关键词：电力拖动；煤矿高压、大功率皮带机；CST可控起动装置
强力胶带机负载大、惯性大，强力胶带机的启动和停车都很困难。启动时，所需的启动转矩很大，增大了驱动电机的容量和电网容量。同时，由于煤炭输送带基本由弹性材料制成，弹性材料由此发生激烈变形，造成很大的瞬时冲击应力，可能造成皮带断裂或降低使用寿命，使金属构架、机械部件承载增大甚至超负荷，使结构过度疲劳损坏，增大维修量等严重后果。
如果煤炭强力胶带机启动过程有足够长的时间，有足够的起动转矩且起动电流较小，输送机启动的速度也可以控制，强力胶带机的动张力就会降至最低，其巨大瞬时的冲击力就可消除。因此，如何选择煤炭强力胶带机启动、停止方式，就成为煤炭技术人员面临的实际问题。
1 煤矿井下高压、大功率皮带机对拖动与控制系统的要求和需要解决的问题
(1)皮带机启动时间能够适量进行调整，使带式输送机平稳起动。 (2)起动加速度能够自动控制，可有效降低起动时输送带的动态初张力，降低输送
带的选用静态安全系数。
(3)在多台电动机起动时，可以实现多台电机的功率平衡。
(4)电动机空载起动时，可以降低对电网的冲击，起到过载保护功能。
(5)输送机瞬时停车时，可以实现不停电动机，减少对电机的影响。
(6)输送机在低速运行状态，系统不会出现严重发热现象，确保正常检修工作。
2 目前，国内已有的解决上述问题的方案
2.1 井下高压软启动器
软启动利用晶闸管的移向控制原理，国产化程度较高，软启动器核心部件大都采用原装进口，性能稳定，有多种起动曲线可选择，适应场所较为广泛，有的厂家采用了智能旁路装置和光纤触发技术，具有一拖多机功能。这些都为高压软启动器重载场所的推广及应用创造了条件。根据笔者多年来在井下使用高压软启动器的经历，笔者认为国产高压软启动器还存在以下问题：
(1)无法彻底解决隔爆外壳内部功率开关元件散热问题，没有彻底解决受热元件呼吸作用产生冷凝问题。因此，大多数厂家采用了限制起动次数，控制起动间隙的办法。由于没有可靠的除凝系统或其它原因，经常出现触发系统误动或通讯中断，甚至损坏元件。
(2)电子元件耐压等级偏低，不能适应其特性工况环境。大多数厂家对电网电压幅度上限有严格规定，一般不允许超过10%，否则会损伤元件。
(3)抗干扰能力差。对于EMI和浪涌电压、浪涌电流未见显著的保护措施。
(4)产品维护费用高。关键核心器件自保护功能不强，一旦故障，一般都是关键模块损毁，修复代价较大。
这些因素，严重影响高压软启动器在煤矿井下的使用，一些关键大型设备控制不得另有考虑。
2.2 隔爆高压启动电抗器：
目前，国内生产高压启动电抗器可以实现对额定功率500-2500kw的高压鼠笼式交流异步电动机降压起动，减少启动电流的冲击，具有一拖多机功能，因其控制回路简单，实用性强，在煤矿井下有较多应用。
但隔爆高压启动电抗器工作方式为降压启动，启动电流可控性差，没有软停止功能，且不能实现多机功率平衡，多应用于各自独立的恒转矩的负载，应用范围有限。
2.3 隔爆型高压变频器：
井下使用隔爆型高压变频器，由于体积大，代价高，大功率高电压功率元件散热问题等制约着在煤矿井下的应用，功率元件选型方面尽管采取了优化措施，从IGBT、IGCT到ACS-2000型，各厂家进行大量探索，目前，国内价格低廉、稳定性高、成熟的产品并不多。
2.4 液粘软启动装置
国产的液体粘性软启动装置摩擦片磨损严重，发热量大，易出现超温现象，密封性不好，易因漏油污染环境，且电液系统较复杂，维护费用高。
综上所述，合理解决煤矿井下高压大功率皮带机电力拖动控制的方式并不多。目前，郑煤集团白坪煤业采用高压电机+液体粘性软启动+减速器拖动方式虽然解决了井下高压大功率皮带机拖动问题，是国内比较流行的拖动方案，该拖动方式存在元件多、系统冗杂、电控程序复杂等，给皮带机维护带来一定困难。尽管如此，只有此方案可与CST装置进行类比，其它方案不具有可比性。
2.5 CST可控起动装置
2.5.1、CST结构
按输入轴与输出轴的相对位置关系，CST分为平行轴型和直角型；按照冷却泵的形式，CST可分为垂直泵型和水平泵型；按照应用场合不同，CST可分为地面非防爆型和井下防爆型。
2.5.2 CST型号及最大传递扭矩
以下是CST可提供的型号，其中数字表示CST输出轴的最大传递扭矩
2.5.3、CST机械系统
CST可控启动传输装置由如下部分组成
1）一套油冷却系统包括冷却泵及热交换器
2）一套湿式多片式离合器
3）一套齿轮减速器
4）一套由PLC可编程控制器控制的液压控制系统
2.5.4 CST工作原理
CST 输出转速是在离合器及行星机构的共同作用下被调节。由于输出轴在 CST中设计成行星机构的行星架，且行星架转速与行星机构的内齿圈转速成反比，通过调节内齿圈转速从而实现对输出轴转速的调节，调节内齿圈转速是通过调节离合器活塞的油压大小，从而改变活塞移动行程，因此改变了摩擦片组的压紧程度（即片于片之间的间隙） ，因此被摩擦片动片驱动的内齿圈的转速就相应的改变。
(1)液压系统结构及原理
液压系统由单极式双联泵和比例阀组成。双联的意思为两个泵前后串联在一起，共用一个输入轴，但两个泵独立工作，互不影响，靠近输入轴端的泵叫作前泵，前泵流量比较小（为高压泵），为CST活塞提供高压控制工作油；而远离输入轴端的泵称为后泵，其流量较大（为低压泵），为CST 轴承提供润滑油。
(2)电气控制系统
CST电气控制系统是由控制器、现场传感器以及用户接口三大部分组成，主要功能如下：
1）利用先进可靠的可编程控制器（PLC),可准确实现皮带机设计者对特定皮带机起动、运行及停车的控制要求。
2）完善的运行数据监测系统可使CST以及皮带机系统得到及时的保护。
3）灵活的编程通讯功能以及用户界面可有机地和用户控制系统结合，实现全矿自动化控制。
3 CST可控起动装置和国产液粘+减速器在拖动、控制技术上相比较如下：
3.1 CST做到了平滑起动、停车—精确控制起停速度
CST液压控制系统核心部件为比例阀块，内部安装有RV阀和PCV阀。RV阀可以根据高低压进行设定，用以限制离合器压力不高于设定值；PCV阀可以精确控制CST离合器压力，能够精确控制起停速度。
国产液粘软启动液压系统比例阀是调节控制压力油压力的执行元件，由于电液比例阀对工作油的清洁度要求比较高，经常出现工作油被污染导致电液比例阀阀芯被卡住的现象。
综上所述CST液压泵控制系统比例阀性能优于国产液粘软启动电液比例阀。
CST速度监测双线性能曲线分析如下：
（1） CST速度控制环节： CST轴速度采用了F/I频率电流转换模块，CST控制的主要目是速度控制，所以速度信号的准确性对于强力胶带机加速和满速控制来说至关重要，F/I模块零位和线性度的变化将直接影响CST的控制性能。
（2） 离合器压力值精准控制。
（3）环形活塞压力精确选择：调节活塞上的液压压力，可以精确控制输入轴电机传送到CST输出轴的力矩，齿圈与输出轴的速度呈线性反比例关系，当齿圈静止时，输出轴将达到满速运行。
（附图“S”加速和线性制动运行曲线)
3.2 功率平衡控制
CST可控起动装置的特点是在多台CST驱动系统中，通过控制器内部的功率PID算法，实现不同CST之间的功率平衡。CST可控起动装置不仅可以实现无级调速，而且在多机驱动时，能够实现各驱动电机的功率平衡，平均精度达到98%以上。
国产液粘控制系统在启动过程中，由于电动机机械特性、滚筒布置、安装方式等原因，会出现电动机电流分配不均衡的现象，即功率不均衡。功率不平衡现象随着启动过程的结束不会改善，当负载加大时会更加严重。
通过比较知，CST在功率平衡控制方面优于国产液粘控制系统。
3.3 主电机空载顺序启动
CST能够实现主电机的空载起动，并且可实现多台驱动器电机顺序起动，而不受负载量的影响。
国产液粘+减速器控制系统能够实现电机的空载顺序启动，但没有操作界面。
3.4 慢操作功能
CST可控起动装置具有慢操作功能：此时制动装置完全释放，湿式摩擦离合器受控保持一定压力，动、静摩擦片之间有相对滑动，行星轮系环齿圈慢速转动，输送机保持慢速运行。其运行速度在0.3—0.5m/s之间，如输送机超过设置的速度运行，则湿式摩擦离合器松开，刹车通过制动器起作用。
国产液粘+减速器控制系统虽然可以对胶带机低速运行控制，但在满载或中载情况下，润滑泵油压不能满足要求，需启动控制泵并根据实际情况调整控制油压。此种操作的胶带运行速度在0.1—0.3m/s之间，操作时间不宜过长，避免造成液压油温度升高。
通过比较知：CST可控起动装置相对于国产液粘+减速器控制系统在低速控制上更加灵活、稳定。
3.5 离合器运行维护
CST可控起动装置、液粘+减速器拖动控制原理都是利用粘性油膜原理，利用液体粘性的剪切力来传递动力。
强力胶带机频繁启动时，液粘+减速器控制系统易出现高温而导致停机。
CST可控起动装置不易出现高温现象原因：1）CST可控起动装置可实现输送机的频繁启动。在需要频繁启动时，可不使电机停止运转，通过液压系统控制来实现。这样，不仅避免了电机反复启动冲击电流对电机的严重损害，而且避免了多次连续带载启动造成振荡，可以延长CST使用寿命，实际使用寿命普遍在10年以上；2）CST可控起动装置具有良好的润滑系统和冷却系统，双向润滑泵向系统内所有运动部件提供连续的强制润滑和冷却，以减少磨损，防止过热。冷却系统对工作液进行冷却降温。启动时吸收反应盘离合器滑动损耗发热的工作油液，经热交换器冷却后再进入反应盘系统，以埋入减速箱内的环形热敏传感器监督油温。
3.6 安装空间及互换性
CST可控起动装置具有软启动及减速器共同的功能，所以在使用CST装置时电机的功率及尺寸可以适当进行减少，改变了传统使用的多级齿轮传动的偏置型减速箱，可大大减小减速器的体积，减小所占空间，适应井下生产条件。
国产液粘+减速器需共同使用，设备分开安装，驱动装置所需空间大。
CST可控起动装置基础设计可更换，机头采用多台CST布置时，仅一台均可互换安装，节约备品备件投资。
国产液粘+减速器，左右布置时，一般都是对称的，但左侧和右侧不能互换，减速器分A型、B型布置，不能互换。
通过比较知：CST可控起动装置相对于国产液粘+减速器装置，在安装空间及互换性方面具有优势。
3.7 过载保护功能
CST可控起动装置可以有效防止输入到强力胶带机的功率及力矩超过安全限度，以保证强力胶带机过载时不能运行，从而保护系统的其他部件。
国产液粘+减速器装置不具备此功能。
3.8 传动效率高
CST可控启动装置起动时间一般为30～240s，其启动系数为1.05～1.1，基于牛顿液体内摩擦定律，属于液体粘性传动，，以液体的粘性或油膜的剪切力来传递动力。CST可控启动装置工作时主、被动轮可以实现完全同步，传动效率可达100%。
国产液粘+减速器装置启动系数为1左右，传动效率为96%—98%。
4 CST可控起动装置在白坪煤业主斜井皮带机应用分析
我公司主斜井采用强力胶带运输方式，全长1355m，运输倾角0°～19.5°～25°～27°，运输量600t/h，一部强力胶带机提升高度327.6m，二部强力胶带机提升高度207.4m，使用的均为由美国罗克韦尔自动化有限公司生产的750K CST可控起动装置。
CST可控起动装置在白坪煤业公司中的应用主要体现在以下几点：
（1）CST可控起动装置可以随皮带输送机设定的加速度曲线启动，能够显著的降低皮带输送机电启动张力，并能有效的减少输送带的震动波，有效的延长输送带的使用寿命。
（2）CST可控起动装置可以保证强力胶带机的启动非常平滑，使其速度由零逐渐缓慢上升，加速度为连续的，实现了无冲击的软启动。
（3）CST可控起动装置不仅可以实现无级调速，而且在多机驱动时，能够实现各
驱动电机的功率平衡，平均精度达到98%以上。
（4）使用CST可控起动装置系统，可防止输入到皮带输送机的功率及力矩超过规定安全限度，从而保证皮带输送机过载时无法运行，保护该系统的其他部件。
5 结论
白坪煤业公司主斜井强力胶带机使用CST可控起动装置至今，机械、液压控制系统无大修记录，液压装置运行平稳，速度可在10%-100%之间调整，慢速运行可在20%-50%之间调整，在加减速期间无出现波动现象。保证了主煤流运输系的安全运行，为我公司带来了较大的经济效益。
6 对CST推广及售后服务的建议。
(1)开展动态分析研究，不断完善驱动技术。根据动态分析的结果确定输送机的启动、制动方案，各驱动点和张紧点的布置及功率分配方案，可降低输送带的设计强度和输送机启动、制动时对电网和设备的冲击影响。
(2)向多点驱动技术方向发展。带式输送机向大型化方向发展，解决输送带的强度问题，无疑是一个重要的途径。但制造实用型高强度输送带，则受到现有材料、生产技术条件的限制，且也不可能无限度的提高。而采用多点驱动技术，在理论上可不受输送带强度的限制。我国目前由于未能有效地解决以上问题，因而输送机上的驱动点不能布置过多，一般为2点驱动，这就限制了输送机的单机长度和运量。
(3)满足矿井实时监控要求。强力胶带机运行情况的实时监控不仅有助于了解设备的运行状况，提高设备运行的稳定性和可靠性，也是煤矿安全生产必不可少的一种技术手段。同时对强力胶带机主要运行参数的实时检测数据还可为动态性能研究和其他关键技术和元部件的研究提供依据。部分国家的在实时监控功能主要有输送机运行功率、载荷分布、速度、加载量控制和输送带撕裂等。我国在这方面差距相对比较大，不仅监控设备功能少，而且灵敏度和可靠性都较差。
(4)CST可控起动装置系统在使用过程中，厂家应根据各矿情况进行现场分析，详细给出实际经济的维护周期，保证在节省费用的前提下尽可能满足装置正常运行的目的。
(5)制定个性化解决方案，该解决方案可以包括: 所有CST的常规和预防性维护；每日、每月和半年维护计划；5-7年返修计划；返修后12年设备保证；备有专人负责处理紧急故障报修；现场零部件和备用驱动器；处理小型维修和返修的现象服务中心；在上海工厂进行的大型维修和返修，让用户更多地了解和接收CST可控起动装置。
作者简介：
1、CST可控传输系统用户手册 2007年4月27日 第一版
2、液体粘性软起动装置说明 泰安力博机电科技有限公司 2005年5月
3、庞颖.关于可控启动传输装置CST在带式输送机上应用和未来发展趋势
2012年12月5日
4、谢颂国.煤矿用电气软启动方式的探讨
5、QKBG系列矿用隔爆型高压起动电抗器使用说明书 济源市科灵电器有限公司
6、BPJV--1000/3.3 矿用隔爆兼本质安全型高压交流变频器使用说明书
江苏聚友电气有限公司
7、吴超.可控起动传输（CST）的控制装置研究 2013年1月1日
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/61c9bedb59f5f61fb7360b4c2e3f5727a5e9246e.html
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