0、引言
圖1所示為膠帶
輸送機(jī)的簡單工藝圖，主要包括膠帶、驅(qū)動(dòng)滾筒和減速機(jī)、托輥機(jī)架、張緊裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置、控制及保護(hù)裝置等，如是物料輸送系統(tǒng)，還應(yīng)包括給料機(jī)、收塵器、溜槽、料庫等。
一般理論認(rèn)為，輸送帶由彈性單元組成，膠帶輸送機(jī)為柔粘性力學(xué)系統(tǒng)，具有明顯的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征，在啟動(dòng)加速、停車減速及張力變化過程中均呈現(xiàn)出復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，主要表現(xiàn)為橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)以及動(dòng)態(tài)張力波在膠帶中的傳播和疊加，造成輸送系統(tǒng)的不穩(wěn)定，具體表現(xiàn)為膠帶斷裂、機(jī)械損害、局部諧振跳帶、疊帶、撒料等。因此，選用合適的驅(qū)動(dòng)設(shè)備控制膠帶輸送機(jī)的工作張力和啟動(dòng)、制動(dòng)加速度，優(yōu)化膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行工況，對(duì)于有效延長其使用壽命、保證膠帶輸送機(jī)安全穩(wěn)定地運(yùn)行、保障煤炭生產(chǎn)具有重要的意義。
神華能源股份有限公司原有的帶式輸送機(jī)一般采用CST、調(diào)速型液力偶合器等機(jī)械和液壓方式驅(qū)動(dòng)設(shè)備，存在著效率低、維護(hù)復(fù)雜、工作環(huán)境差、不能調(diào)速運(yùn)行、非線性、啟動(dòng)電流大等缺陷，而且由于啟動(dòng)加速度大，導(dǎo)致膠帶持續(xù)波動(dòng)、張力特性較差，無法對(duì)長距離輸送的動(dòng)態(tài)優(yōu)化和安全啟動(dòng)提供有效的保證。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)在近20年得到了飛速的發(fā)展，獲得了廣泛的應(yīng)用。變頻器應(yīng)用于輸送機(jī)類恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)速驅(qū)動(dòng)過程，優(yōu)化了膠帶輸送機(jī)的啟停特性，具有啟動(dòng)沖擊小、可靠性高、調(diào)速范圍寬、節(jié)能等特點(diǎn)。神華能源股份有限公司通過分析比較，采用了變頻器取代原有的CST、液力偶合器，對(duì)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行改造，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
1、變頻器簡介
把直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置被稱為逆變器，而把直流電源逆變?yōu)轭l率、電壓均可調(diào)的逆變器即為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要用于三相異步電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)整，故又被叫做變頻調(diào)速器。目前所使用的變頻器通常采用交一直一交變頻方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給異步電動(dòng)機(jī)。
1.1變頻調(diào)速原理
變頻調(diào)速原理基于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：
由式(1)可見，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度主要取決于電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)和電源頻率。由電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)通常是固定不變的。因此，改變電動(dòng)機(jī)供電電源的頻率就可以自由地控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
在異步電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速系統(tǒng)中，隨著變頻器輸出頻率的變化，必須相應(yīng)地調(diào)節(jié)其輸出電壓，這是由三相異步電動(dòng)機(jī)本身的功率關(guān)系決定的。如果僅改變頻率而不調(diào)整輸出電壓，電動(dòng)機(jī)將被燒壞。特別是當(dāng)頻率降低時(shí)，該問題就非常突出。為了防止電動(dòng)機(jī)燒毀事故的發(fā)生，變頻器在改變頻率的同時(shí)必須同時(shí)改變電壓。例如，為了使電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60 Hz改變到30 Hz，這時(shí)變頻器的輸出電壓就必須從400 V改變到約200 V。
1.2變頻控制原理
目前變頻器所采用的變頻控制技術(shù)通常為
PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)和矢量控制技術(shù)。
1.2.1 PWM變頻控制原理
PWM(Pulse Width Modulation)即脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，現(xiàn)以PWM中最常用的SPWM正弦波脈沖寬度調(diào)制技術(shù)為例說明PWM變頻控制的原理。
SPWM是指按正弦波規(guī)律調(diào)制輸出電壓中各脈沖寬度，使其平均值為正弦波，輸出波形如圖2所示。SPWM含載頻信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)，載頻信號(hào)為等腰三角波，基準(zhǔn)信號(hào)為正弦波。通過正弦波與三角波相交的方法，確定各分段矩形脈沖的寬度。由于三角波相鄰兩腰間的寬度隨其高線性變化，故任一條不超過可調(diào)制范圍的光滑曲線與三角波相交時(shí)，都會(huì)得到一組等幅、等矩、脈沖寬度正比于該曲線值的矩形脈沖。用正弦波為基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，可獲脈寬與正弦波值對(duì)應(yīng)的矩形脈沖序列。該脈沖序列信號(hào)用于逆變器電子開關(guān)的開通與關(guān)斷控制時(shí)，改變正弦波基準(zhǔn)信號(hào)的幅值和頻率，即可相應(yīng)地改變逆變器的輸出電壓與頻率。
1.2.2矢量控制原理
矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵(lì)磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流），分別加以控制，并同時(shí)控制2個(gè)分量的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。
矢量控制可調(diào)整變頻器的輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電壓的平方成正比地增加，從而改善電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。使用“矢量控制”，可以使電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩。
1.3變頻器構(gòu)成
本文中應(yīng)用的變頻器是12脈沖三電平PWM電壓源型變頻器，其電路可分為主回路（給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分）和控制回路（給主回路提供控制信號(hào)的回路）。本文主要介紹變頻器的主回路。
主回路由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變3個(gè)部分組成，如圖3所示。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，其輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)完成濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功功率等功能。
整流部分：使用二極管整流，它把工頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電。
直流環(huán)節(jié)；在整流部分整流后的直流電壓中，含有電源倍頻（主要是11和13倍）的脈動(dòng)電壓，此外逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電容器吸收此脈動(dòng)電壓。
逆變部分：是將直流電轉(zhuǎn)換為所要求頻率的交流電，在所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使12個(gè)IGBT元件導(dǎo)通、關(guān)斷，就可以得到三相交流輸出。
2、變頻器在礦井膠帶機(jī)輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用
2.1 中壓變頻器的應(yīng)用實(shí)例
變頻器在神華能源股份有限公司某主斜井膠帶機(jī)輸送系統(tǒng)中的調(diào)速驅(qū)動(dòng)原理如圖4所示。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用西門子Simovert MV系列2 300 V中壓變頻器，并采用羅克韋爾的PLC作為主從控制器，通過PROFIBUS- DP連接協(xié)調(diào)各驅(qū)動(dòng)器之間的控制關(guān)系。，
根據(jù)現(xiàn)場工藝的要求，3套變頻器實(shí)現(xiàn)主從控制，即二次電動(dòng)機(jī)設(shè)定為主傳動(dòng)（將參數(shù)P242恒定值設(shè)定為O），工作在閉環(huán)速度控制模式，即跟隨1#電動(dòng)機(jī)的速度，并且1#電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩給其作為轉(zhuǎn)矩限幅。一次側(cè)2臺(tái)同軸驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)中，1#設(shè)定為主傳動(dòng)（將參數(shù)P242恒定值設(shè)定為1），2#設(shè)定為從驅(qū)動(dòng)，工作在閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制即跟隨1#主驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩。主傳動(dòng)為閉環(huán)速度控制模式，從傳動(dòng)則為閉環(huán)力矩控制模式，當(dāng)二次電動(dòng)機(jī)的速度達(dá)不到給定速度時(shí)，速度環(huán)飽和，這時(shí)電流環(huán)起作用，二次電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩跟隨1#主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。主從傳動(dòng)之間通過適當(dāng)?shù)耐ㄐ胚B接并合理地設(shè)置變頻器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)變頻器之間的負(fù)荷分配。
當(dāng)主傳動(dòng)進(jìn)行維護(hù)或出現(xiàn)故障時(shí)，通過變頻器間的控制聯(lián)鎖，其中1臺(tái)從傳動(dòng)變頻器自動(dòng)升為主傳動(dòng)（參數(shù)P242自動(dòng)置O），以確保傳輸帶仍能在降負(fù)荷下工作。
圖5所示為變頻器調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的膠帶輸送機(jī)啟動(dòng)和停車時(shí)的優(yōu)化“S”形特性曲線。膠帶機(jī)的啟動(dòng)過程：由主從控制器PLC作為給定函數(shù)發(fā)生器，給出優(yōu)化“S”型曲線作為變頻器主驅(qū)動(dòng)的速度給定信號(hào)，同時(shí)主驅(qū)動(dòng)接收來自電動(dòng)機(jī)軸編碼器的脈沖信號(hào)作為速度負(fù)反饋信號(hào)。主傳動(dòng)速度輸出將跟隨“S”型給定曲線上升，而主傳動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)給從驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)和功率平衡。停車過程類似上述啟動(dòng)過程：膠帶卸料完畢，發(fā)出正常停車指令，“S”型曲線開始下降，由變頻器控制軟停車過程。當(dāng)速度降低到允許機(jī)械抱閘時(shí)，各驅(qū)動(dòng)裝置斷電停車。
2.2應(yīng)用注意事項(xiàng)
(1)電抗器的作用是防止變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過電源輸入回路返回到電網(wǎng)，從而影響其它受電設(shè)備。應(yīng)根據(jù)變頻器的容量大小決定是否需要加電抗器。
(2)濾波器安裝在變頻器的輸出端，為了減少變頻器輸出中的高次諧波。當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)該安裝濾波器。
(3)變頻器具有各種保護(hù)功能，但它在缺相保護(hù)方面并不完美。斷路器可在主回路中起到過載、缺相等保護(hù)作用，變頻器選型時(shí)可按照變頻器的容量選擇使用斷路器。變頻器自身所帶的過載保護(hù)可代替熱繼電器保護(hù)。
(4)應(yīng)考慮散熱問題。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數(shù)地上升，使用壽命隨溫度升高而成指數(shù)地下降。環(huán)境溫度如升高10℃，變頻器使用壽命就會(huì)減半。本文中應(yīng)用的變頻器是風(fēng)冷型變頻器，其冷卻風(fēng)扇的正常運(yùn)行是變頻器正常運(yùn)行的保障。
2.3變頻調(diào)速與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)性能的比較
傳統(tǒng)上，煤礦膠帶機(jī)多采用液力偶合器傳動(dòng)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器（尤其是大功率變頻器）的應(yīng)用得到了高速發(fā)展。根據(jù)運(yùn)行實(shí)踐，筆者認(rèn)為膠帶輸送機(jī)采用變頻調(diào)速系統(tǒng)與其它傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較具有不可比擬的優(yōu)勢：
(1) PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)幅同步，保證了設(shè)備的安全，并有效地抑制了諧波和噪聲。
(2)雖然膠帶機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)荷，其變頻節(jié)能效果不如平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的風(fēng)機(jī)、泵類好，但由于煤礦生產(chǎn)的特殊性，膠帶機(jī)滿載的時(shí)間較短，故其調(diào)速節(jié)能效果還是較明顯的。根據(jù)實(shí)測，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，電耗較恒速運(yùn)行方式下降20%以上。
(3)變頻調(diào)速能降低膠帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)張力，延長膠帶壽命，減少轉(zhuǎn)動(dòng)部件（滾筒、托輥等）的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，減少磨損，相應(yīng)地增加膠帶機(jī)的服務(wù)年限。
(4)變頻器還有故障率低、開機(jī)率高、維護(hù)量小且維修快捷、降低維護(hù)人員的工作強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。
3、結(jié)語
變頻器在神華能源股份有限公司膠帶輸送工程中的應(yīng)用已有1年，運(yùn)行結(jié)果表明：采用變頻器調(diào)速驅(qū)動(dòng)的膠帶機(jī)輸送系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、程序修改靈活、操作方便等特點(diǎn)，為礦井生產(chǎn)長期穩(wěn)定地運(yùn)行起到了非常重要的作用。
