近年來，變頻技術(shù)在我國有了很大發(fā)展，與傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速方式相比，其優(yōu)越性日趨突出，具有控制精度高、調(diào)速和起動、制動性能優(yōu)良、節(jié)能、可靠性高、免維護(hù)等優(yōu)點，經(jīng)濟(jì)效益與社會效益顯著，是帶式輸送機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級、促進(jìn)能源節(jié)約的重要手段之一，富通新能源不但生產(chǎn)銷售皮帶輸送機(jī)而且還銷售木屑顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等機(jī)械設(shè)備。
1、帶式輸送機(jī)用變頻調(diào)速裝置現(xiàn)狀
目前，應(yīng)用在帶式輸送機(jī)的拖動與控制中的變頻裝置多為一些中小功率、低壓變頻器，市場上變頻器的額定電壓通常為380 V或660 V，1140 V的變頻器應(yīng)用的相對很少，其變頻原理以PWM控制、第四代IGBT直接串連、6脈沖變流技術(shù)為主，雖變頻技術(shù)較為成熟，可有效地改善和提高帶式輸送機(jī)運(yùn)行性能，但所能控制的單臺電機(jī)功率受到了限制，因此可以應(yīng)用的帶式輸送機(jī)工況也有了很大的局限性，同時因變頻而產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)以及各配套電氣設(shè)備性能影響較大，甚至影響附近其他電器設(shè)備的正常工作，需加入各種抑制或吸收諧波的裝置，控制環(huán)節(jié)多，直接影響到整機(jī)效率，無形增加了設(shè)備維護(hù)量。
一般而言，長運(yùn)距、大傾角、大運(yùn)量的帶式輸送機(jī)的傳動方式往往比較復(fù)雜，驅(qū)動功率較大，多臺電動機(jī)驅(qū)動，在需要進(jìn)行軟啟動與軟制動控制的同時，多臺電機(jī)間也需要進(jìn)行功率平衡，低壓變頻方式已不能適應(yīng)拖動與控制的需要。隨著以GTO、IGBT、IGCT為代表的自關(guān)斷器件的發(fā)展，各種適合高壓變頻的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究進(jìn)一步深入，高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)取得了突破性發(fā)展。因此，如何有效地直接利用高壓變頻技術(shù)對大功率帶式輸送機(jī)的調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、改進(jìn)，對提高整機(jī)動態(tài)穩(wěn)定性及可靠性、減少故障率、節(jié)能降耗等方面將具有十分重要的現(xiàn)實意義。
2、高壓交流變頻調(diào)速裝置技術(shù)指標(biāo)的確定
通過對高壓大容量的變頻器結(jié)構(gòu)特點分析，并結(jié)合帶式輸送機(jī)調(diào)速范圍與精度、起動轉(zhuǎn)矩等的要求，確定以下主要技術(shù)指標(biāo)做為高壓變頻裝置對帶式輸送機(jī)進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動的設(shè)計依據(jù)。
(1)高一高結(jié)構(gòu)，即6 kV輸入／輸出，不需輸出升壓變壓器，簡化和減少變配電環(huán)節(jié)的設(shè)備，直接適用于6 kV電源系統(tǒng)。
(2)變頻輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式，輸出相電壓至少為13電平，線電壓至少為25電平。
(3) -體化設(shè)計，包括輸入干式隔離變壓器，變頻器等所有部件及內(nèi)部連線，可減少占地空間，提高效率，易于現(xiàn)場的管理維護(hù)。
(4)諧波抑制采用36脈沖整流輸入，符合并優(yōu)于IEEE519～1992及GB/T14519～93標(biāo)準(zhǔn)對電壓失真和電流失真最嚴(yán)格的要求。
(5)不設(shè)濾波器變頻器，實現(xiàn)輸出正弦電流和電壓波形，使用普通異步電機(jī)，且電機(jī)不得受到共模電壓和dv/dt的影響。
(6)不設(shè)功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，在20%～100%的負(fù)載變化情況內(nèi)達(dá)到或超過o．95的功率因數(shù)。
(7)采用先進(jìn)的無速度傳感器矢量控制。
(8)功率單元和主控系統(tǒng)通訊采用光纖連接，具有高的通信速率和抗干擾能力，安全性好。
(9)起動轉(zhuǎn)矩滿足1 min200%(每lOmin)的轉(zhuǎn)矩過載能力，適應(yīng)帶式輸送機(jī)重載起動要求。
(10)具備功率單元自動旁路功能，旁路時間在250 ms以內(nèi)，允許每相有不同的功率單元數(shù)量，并采用三相線電壓平衡（中心點漂移技術(shù)），確保在功率單元故障情況下仍能正常工作，發(fā)揮功率單元最大輸出能力。
3、具體設(shè)計應(yīng)用研究
3.1 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計
根據(jù)以上特點，結(jié)合甘肅某煤礦主斜井帶式輸送機(jī)的設(shè)計參數(shù)，設(shè)計采用了高壓變頻調(diào)速技術(shù)，該機(jī)長度為1021 m、傾角達(dá)25。，運(yùn)量Q=350 t／h，經(jīng)綜合考慮現(xiàn)場安裝實際位置與特點，確定該機(jī)帶速V=3. 15 mm/s，膠帶為ST2500鋼繩芯膠帶，帶寬B - 800 mm。傳動裝置為雙電機(jī)，雙滾筒驅(qū)動，采用兩臺額定輸出功率為600 kW、以先進(jìn)的矢量控制技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻調(diào)速裝置對兩臺400 kW國產(chǎn)普通6 kV高壓異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，其傳動布置及系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
該機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特征為：高壓電機(jī)與減速機(jī)之間為剛性聯(lián)接，驅(qū)動單元占用空間小，容易布置，能量傳遞的環(huán)節(jié)少，使驅(qū)動系統(tǒng)的效率高，維護(hù)工作量小。高壓柜系統(tǒng)采用KYN28A戶內(nèi)金屬鎧裝抽出式金屬封閉開關(guān)柜，1臺進(jìn)線柜采用雙回路進(jìn)線形式，滿足煤礦主斜井供電要求，2臺起動柜為分?jǐn)?臺變頻器的6 kV電源主開關(guān)及變頻器，實現(xiàn)對2臺主電機(jī)的直接起動控制及保護(hù)，2臺旁路柜作為2臺電機(jī)接入變頻電源或工頻電源時的轉(zhuǎn)換開關(guān)。
3.2控制系統(tǒng)設(shè)計
結(jié)合高壓變頻技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及自動控制技術(shù)，并通過對現(xiàn)有控制設(shè)備的綜合技術(shù)分析，設(shè)計研制了與驅(qū)動相適應(yīng)的該帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)基于西門子S7-300型PLC邏輯控制，以嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)為監(jiān)控中心，用來完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、信息傳輸及全過程的可視化監(jiān)控，有效解決以下技術(shù)難點。
(1)拖動電機(jī)的控制方式。由于該帶式輸送機(jī)為雙電機(jī)、雙滾筒驅(qū)動，因此，若兩臺電機(jī)的傳動都作為獨(dú)立的速度控制，則在運(yùn)行時，兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)矩難于調(diào)整。為了滿足兩臺電機(jī)速度同步，又要兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡，把控制系統(tǒng)設(shè)計為一個速度環(huán)、兩個電流環(huán)的主從控制結(jié)構(gòu)。控制框圖如圖2所示。
(2)力矩平衡控制。由交流異步電動機(jī)的機(jī)械特性可知，同一型號和功率的兩臺電動機(jī)的機(jī)械特性相同，從理論上講，負(fù)載在兩臺電機(jī)間平均分配，兩臺電動機(jī)各承擔(dān)1／2的負(fù)載，但在實際中，由于各種誤差的存在，負(fù)載在兩電機(jī)間很難完全平均分配。
為解決兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和拖動功率平衡問題，采用了主從控制方式，主變頻器按照皮帶輸送要求對整個系統(tǒng)進(jìn)行速度控制，主變頻器的速度調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，分派給主變頻器和從變頻器，取兩臺電動機(jī)在各自系統(tǒng)中的磁通值，把轉(zhuǎn)矩給定值轉(zhuǎn)換為電流給定值，進(jìn)行各自的電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，這不僅保證了兩臺電動機(jī)的出力一致，達(dá)到轉(zhuǎn)矩平衡，而且與普通的U/F控制相比，將會獲得很大的啟動轉(zhuǎn)矩。
(3)速度同步控制。由于采用了1臺電機(jī)的速度計算值作為內(nèi)部速度反饋信號，故首先從工藝上滿足了速度的控制要求I又由于采用了轉(zhuǎn)矩平衡控制（轉(zhuǎn)矩給定為同一值，且采用閉環(huán)調(diào)節(jié)），使兩臺電機(jī)出力相同，故電機(jī)預(yù)達(dá)到的速度也是一致的。
(4)起動加速度控制。由于變頻器的矢量控制技術(shù)及轉(zhuǎn)矩控制功能和快速電流限制功能，使帶式輸送機(jī)獲得了比較好的啟制動加速度，優(yōu)于現(xiàn)行的0. 1～0.3 帶式輸送機(jī)的起制動加速度值。
(5)運(yùn)行速度控制。根據(jù)實際負(fù)載的大小來確定帶式輸送機(jī)的實際運(yùn)行速度，即根據(jù)負(fù)荷的變化來調(diào)整系統(tǒng)速度給定信號。按照實際情況要求，設(shè)計采用了兩種方式：分級給定和無級調(diào)速給定。
依據(jù)整個速度按煤量不同，分級給定結(jié)合帶速、帶強(qiáng)等可分為五級，即：滿載、煤量大、煤量中、煤量小、驗帶。
無級調(diào)速給定采用PLC自動和手動無級給定兩種形式，PLC自動無級給定控制，由PLC實際檢測負(fù)載。當(dāng)空載或煤量少時，帶式輸送機(jī)可以根據(jù)很低的速度維持運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著負(fù)荷的增加，給定速度相應(yīng)增加，電機(jī)速度、膠帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度也相應(yīng)增加，反之亦然。
(6) PLC軟件設(shè)計。終端采用梯形圖語言編寫，為提高終端的抗干擾能力，軟件設(shè)計中采用了數(shù)字濾波、故障自檢、控制口令等措施，保證控制操作的正確性和可靠性。程序設(shè)計采用模塊化、功能化結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)、擴(kuò)展。
(7)監(jiān)控軟件設(shè)計。采用MCGS全中文工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件，設(shè)計組建了優(yōu)質(zhì)高效的監(jiān)控系統(tǒng)，用來完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機(jī)制、流程控制、動畫顯示、趨勢‘曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能，使帶式輸送機(jī)更加安全可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。
(8)帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。按《煤礦安全規(guī)程》的要求，本系統(tǒng)設(shè)有沿線急停、溫度、煙霧、縱向撕裂、煤位、跑偏、張緊限位、速度、斷帶，超溫自動灑水等各種常規(guī)保護(hù)。此外，還設(shè)有主電機(jī)三相定子繞組溫度、前后軸承溫度、變頻器的功率單元柜溫度、隔離變壓器溫度、變頻器故障、高壓開關(guān)柜故障等各種故障保護(hù)功能。
4、應(yīng)用情況
該6 kV高壓變頻調(diào)速帶式輸送機(jī)于2006年6月安裝調(diào)試投入運(yùn)行以來，運(yùn)行情況良好，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
(1)有效實現(xiàn)起動加速度控制、運(yùn)行調(diào)速控制、力矩平衡控制及速度同步控制，轉(zhuǎn)矩和速度控制精確平滑，保持皮帶動態(tài)張力最小，起制動過程膠帶無震顫，噪音低。
(2)整機(jī)結(jié)構(gòu)合理，設(shè)備配置優(yōu)化，有利于用戶的現(xiàn)場管理和維護(hù)，降低了對電網(wǎng)的容量要求和無功損耗。
(3)對電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以適用于由普通國產(chǎn)電機(jī)做為主驅(qū)動電機(jī)的各類帶式輸送機(jī)。圖3為實測變頻器輸出電壓電流波形。
(4)舒適型的操作、控制面板，可完成對系統(tǒng)監(jiān)控及集控、就地、檢修、手動等不同工況下的操作控制。
(5)完善的帶式輸送機(jī)各種故障檢測及全面的故障監(jiān)控功能。實現(xiàn)控制系統(tǒng)的自檢、報警、信號記憶。
(6)通過多功能顯示平臺實現(xiàn)系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)登錄功能，以及系統(tǒng)各種運(yùn)行參數(shù)／變量的中文顯示。并建立故障排除系統(tǒng)，使用戶在電腦系統(tǒng)的指引下逐步排除故障。
(7)由于采用了運(yùn)行過程的分級和無級調(diào)速控制，可根據(jù)運(yùn)煤量大小即時調(diào)整帶速，提高了帶式輸送機(jī)的節(jié)能效率，適應(yīng)國情，符合煤礦生產(chǎn)節(jié)能降耗的需求。
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