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變壓變頻系統(tǒng)(VVVF)在膠帶輸送機(jī)張緊裝置的應(yīng)用

0、前言
    VVVF驅(qū)動裝置在馬跡山二期皮帶機(jī)自動張緊裝置的應(yīng)用，是綜合了PLC裝置、上位機(jī)和工業(yè)PROFIBUS - DP通信等多項技術(shù)的成果，具有功能多樣、智能化程度高、控制方式多樣、穩(wěn)定性好，但操作簡單、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，是原重錘式和液壓張緊方式的重要補(bǔ)充和突破。
1、WVF方式的原理
    在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時，通常要考慮的一個重要因素是希望保持電機(jī)中每極磁通量為額定值，并保持不變。
    如果磁通太弱，即電機(jī)出現(xiàn)欠勵磁，將會影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。
    式中，TM為電磁轉(zhuǎn)矩，∮M為主磁通，I為轉(zhuǎn)子電流，COS∮2：為轉(zhuǎn)子回路功率因素，KT為比例系數(shù)。
    由式(1)可知，電機(jī)磁通的減小，勢必造成電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的減小。
    由于電機(jī)設(shè)計時，電機(jī)的磁通常處于接近飽和值，如果進(jìn)一步增大磁通，將使電機(jī)鐵芯出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致電機(jī)中流過很大的勵磁電流，增加電機(jī)的銅損耗和鐵損耗，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機(jī)。
    因此，在改變電機(jī)頻率時，應(yīng)對電機(jī)的電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持電機(jī)磁通的恒定。
    為此，用于交流電氣傳動中的變頻器實際上是變壓（Variable Voltage，簡稱vv）變頻（VariableFrequency．簡稱VF）器，即WVF。所以，通常也把這種變頻器叫作VVVF裝置或VVVF。
    根據(jù)異步電動機(jī)的控制方式不同，變壓變頻調(diào)
速可分為恒定壓頻比( V/F)控制變頻調(diào)速、矢量控制( FOC)變頻調(diào)速、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速等。2、張緊裝置WVF驅(qū)動裝置的組成
    自動張緊裝置由機(jī)旁電控系統(tǒng)、卷揚(yáng)機(jī)（包括驅(qū)動裝置、卷筒、鋼繩、滑輪等）、張緊小車、張力檢測器等部分組成。機(jī)旁電控系統(tǒng)采用西門子PLC 315 -2DP或414 - 2DP作為控制系統(tǒng)核心，通過PROFIBUS - DP總線與上位機(jī)以及變頻器組成通信網(wǎng)絡(luò)。考慮到現(xiàn)場特殊使用環(huán)境，上位機(jī)采用觸摸屏顯示器，可以進(jìn)行張力值和速度的實時設(shè)定。
    PLC通過PROFIBUS - DP總線、光電轉(zhuǎn)換器及光纖與中控室進(jìn)行通訊，接收中控室發(fā)出的動作指令信號，通過控制卷揚(yáng)機(jī)的WVF調(diào)速驅(qū)動裝置完成對皮帶張力的自動控制，同時返回設(shè)備狀態(tài)及故障信息到中控室。
    張緊裝置的PLC作為中控室PLC從站，采用PROFIBUS - DP通信協(xié)議通信。中控室PLC做主站，將皮帶機(jī)起動準(zhǔn)備、運(yùn)行、停機(jī)準(zhǔn)備、停機(jī)以及堆取料機(jī)尾車上升和下降等皮帶的狀態(tài)發(fā)送給現(xiàn)場張緊裝置，并接收張緊裝置監(jiān)測的皮帶機(jī)張力大小和工作狀況等信息；張緊裝置PLC除做為中控室PLC的通信從站外，還做現(xiàn)場與變頻器通信的主站，根據(jù)皮帶機(jī)各工況下需要的設(shè)定張力，控制變頻器的起動和停止，同時將速度給定通過PROFIBUS - DP通信協(xié)議發(fā)送給變頻器，以建立需要的張力并進(jìn)行實時的張力控制。
    馬跡山二期皮帶機(jī)自動張緊裝置的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖l。
3、張緊裝置的控制原理
    根據(jù)皮帶機(jī)工作在不同工況下的張力要求，每個工況下，PLC都會接收到一個張力的設(shè)定值，該設(shè)定值可以在上位機(jī)人機(jī)交互畫面內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場實際需要實時修改，具有很大的靈活性，見圖2。
    為正確地采集現(xiàn)場的實際張力值，在張緊鋼絲繩的滾筒處，安裝了張力傳感器，通過發(fā)送O—10 VDC的模擬量信號給PLC，進(jìn)行張力數(shù)據(jù)的實時采集。
   在PLC接收到中控室發(fā)出的皮帶機(jī)工作狀態(tài)后，會將設(shè)定值和實際張力值進(jìn)行比較，確定變頻器的工作狀態(tài)和速度給定，并將控制命令發(fā)到變頻器；在變頻器開始工作時，張力開始向設(shè)定值上接近；在實際張力達(dá)到設(shè)定張力值時，PLC將變頻器停止命令發(fā)出，變頻器停止工作，等待實際值和設(shè)定值不等的情況發(fā)生時，再次啟動，形成了一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了防止變頻器和電機(jī)頻繁啟動，將實際值處于設(shè)定值的90%至llO%的范圍定義為實際值和設(shè)定值相等的狀態(tài)，控制原理見圖3。
4、VVVF控制系統(tǒng)的其他優(yōu)越性
    (1)由于變頻器的高度智能性，在設(shè)置了變頻器的各功率參數(shù)后，變頻器將會對所有重要的功率參數(shù)諸如電壓、電流、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行監(jiān)控，在發(fā)生異常情況時，變頻器可以發(fā)出過壓、過流、過載、堵轉(zhuǎn)等故障或報警信息，這樣就大大完善了現(xiàn)場裝置保護(hù)的功能，杜絕了各種事故的發(fā)生，通過采集變頻器的這些重要的參數(shù)，可以對現(xiàn)場的狀態(tài)做更好的監(jiān)控。
    (2)由于VVVF變頻器驅(qū)動方式起動、停止平滑的特性，減少了對現(xiàn)場滾筒、滑輪、托輥和膠帶的沖擊力，大大減輕了這些裝置的損耗，增加了使用壽命和穩(wěn)定性，減少了故障發(fā)生概率。
    (3) PLC、上位機(jī)的加入，為張緊裝置的功能多樣化提供了條件。現(xiàn)場可以實時地根據(jù)需求設(shè)定張力值和速度值，并可以在現(xiàn)場手動操作張緊和放松皮帶張緊力，以滿足在某些特殊情況下的皮帶機(jī)起動的張力需求；中控室也可以完成松皮帶機(jī)張緊力的操作；中控室對張緊裝置的控制和監(jiān)控力度也得到大大加強(qiáng)，一些故障、狀態(tài)信息等都可以在中控室顯示。
    (4)人機(jī)交互界面的建立，為操作張緊機(jī)構(gòu)提供了一個接口，內(nèi)容豐富的界面，幫助操作司機(jī)全面地掌握整個張緊裝置的工作狀態(tài)，簡單的操作界面使操作和使用更為簡捷、明了。而一些重要的狀態(tài)參數(shù)可以得到處理，并存儲在數(shù)據(jù)庫中，操作人員和維護(hù)人員可以調(diào)出幾天前甚至幾月前的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以了解皮帶機(jī)的工作狀態(tài)和曾經(jīng)的操作信息等。
5、結(jié)論
    VVVF控制系統(tǒng)在膠帶機(jī)張緊裝置上的應(yīng)用，大大改觀了原來重錘式和液壓式張緊裝置功能單一，張力控制范圍小，滿足不了皮帶機(jī)功能多樣化需求的現(xiàn)狀，增加了張緊裝置的功能和作用；同時，符合現(xiàn)今工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)，設(shè)備智能化、功能多樣化的趨勢。

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