大功率變頻器在大型礦用膠帶運輸機上的應用探討 - 復制

1、礦用大型膠帶運輸機變頻驅動方式的應用實踐及探討引言：一直以來，煤炭行業(yè)都是支持國民經濟發(fā)展的支柱型產業(yè)，近些年，隨著我國國民經濟的高速發(fā)展，對煤炭的需求量也隨之激增，對煤炭需求量的增加必然要求煤礦的產能不斷增加。先進的采煤工藝及國際先進的大型設備的不斷引進及裝備，使得原有生產方式相對傳統(tǒng)的煤炭行業(yè)，在不覺中已經被推入到一個以技術應用為主導的發(fā)展階段，很多超前的技術手段和國際領先的設備都開始在煤礦生產的掘、采、運、洗等環(huán)節(jié)中應用。帶式輸送設備在煤炭生產中被廣泛應用于礦料的輸送、轉載，隨著煤礦產量的增加，帶式輸送機的驅動點功率增加、驅動點數(shù)量增多、應用方式相對復雜，帶式輸送設備的啟動問題也因此逐漸

2、顯現(xiàn)出來，變頻器驅動作為帶式輸送機啟動方式的一種在國外同行業(yè)、同應用領域很早就有應用，而在國內尚處于初期，因帶式輸送設備的種類較多，本文僅針對廣泛應用于煤炭行業(yè)中的帶式輸送機俗稱“皮帶機”，對其采用變頻驅動方式從設計方面到實際選用進行一些簡單的探討。主題詞：帶式輸送機的負載特性、自適應控制方式、轉速和轉矩的配合關系、雙S曲線啟動方式、減力停車、“零速”抱閘。帶式輸送機因其系統(tǒng)構造簡單運行穩(wěn)定性較高，在煤炭行業(yè)各環(huán)節(jié)中擔負著輸送礦料的作用，驅動功率大、驅動點數(shù)量多、傳送距離長等特點是目前礦用大型帶式輸送機的特點。在國內變頻器在帶式輸送機上的應用，最早主要是解決大功率電機直接啟動對電網(wǎng)的沖擊問題，

3、變頻器本身僅作為“軟啟動”裝置，但是，因變頻器本身具有很強的速度、轉矩控制能力，因此，在實際的應用中逐漸被結合到帶式輸送機的實際工藝中，變頻器不再僅僅作為“軟啟動”裝置，而是成為帶式輸送設備的一種較好的驅動控制方式。下面從幾個方面對變頻器驅動方式的應用進行一些探討：1、 緊密結合皮帶機工藝，合理選擇驅動方案設計是項目順利實施的一個關鍵，變頻傳動裝置在大型帶式輸送機的驅動應用上不光要結合工藝進行選型，且需要通過變頻傳動裝置與控制系統(tǒng)的配合達到實際的應用目的，這就要求工藝設計與電氣配套采用一體化的思路，同時也應該配合實際選用的變頻傳動裝置的功能特性進行合理配置，通常在變頻裝置的選用和設計上需配合帶

4、式輸送機的工藝作如下幾方面考慮：u 曲別于恒轉矩運行方式的帶式輸送機的負載特性；該問題是帶式輸送機采用變頻驅動方式首先需要考慮的問題，一般來講變頻器適用的負載特性分為：恒轉矩應用和變轉矩應用兩種方式，依據(jù)變頻裝置在驅動帶式輸送機需控制電機輸出相對恒定的轉矩這一特性可將帶式輸送機歸類到恒轉矩應用，但針對煤炭行業(yè)的應用特性，帶式輸送機在原煤系統(tǒng)中承載的物料粒度相對較大，物料下落時對設備的沖擊較大，因此，要求傳動裝置在能提供相對恒定的轉矩基礎上，能及時響應負載因物料下落的沖擊而產生的變化，因此，在變頻裝置的選型及配置上依據(jù)實際應用首先應考慮到其過載能力及抗負載沖擊能力。u 帶式輸送設備驅動點軸功率選

5、擇，驅動電機的電壓等級；該因素涉及到電機電壓等級問題，從而直接決定了變頻裝置的電壓等級的選擇。根據(jù)實際的應用實例驅動點功率在800kw以下時可以選擇低壓傳動裝置（設備額定電壓在1kv以下），因低壓交流傳動裝置設備本身的技術成熟度、造價、維修便易程度等因素，驅動點功率在800kw以下時，綜合系統(tǒng)投資維護等因素采用低壓變頻驅動方案相對較為合理，但該方案存在配電設備相對較多、負載側的運行電流較大、除變頻裝置外的外圍投資較大的缺點；當驅動點功率大于800kw時，選用中壓變頻裝置（電壓等級在1kv10kv），從系統(tǒng)造價、負載運行電流等問題上綜合考慮，采用中壓變頻驅動裝置是相對合理的方案，但由于中壓驅動裝

6、置本身的結構和技術手段的不同在實際應用中仍然處于爭論中現(xiàn)國際知名廠商生產的高性能中壓傳動裝置因與低壓傳動裝置相似的拓撲結構、設備中采用高壓功率管件構成傳動裝置造價較高、維護技術難度大，而中壓傳動裝置的另一種結構（采用低壓功率器件構成的，多單元串連結構的變頻裝置）該結構特點決定該類傳動裝置屬風機泵類專用型變頻器，多應用在風機、泵類變轉矩負載上，因其該結構采用低壓功率器件成本相對較低，現(xiàn)在國內煤炭行業(yè)的大型帶式輸送上也有應用。u 棧橋的坡度、角度、帶速、運量、驅動滾筒的安置方式、是否存在發(fā)電工況等問題；因本文主要探討內容是傳動裝置的應用，實際上皮帶機機械部分從設計角度來講相對比較復雜，但推究到理論

7、上無論是依據(jù)經典的“歐拉定理”還是“逐點計算原理”對帶式輸送機的圓角周力的特性分析，最終都離不開滾筒驅動原理，與常規(guī)帶式輸送設備的驅動方式不同的是，變頻驅動方式能精確地控制電機的轉矩和速度，顯然，從理論角度來說變頻驅動方式在長距離大功率復雜工況條件下，無疑是帶式輸送設備較好的驅動方式。u 驅動點數(shù)量及設計方式頭部單驅動方式、頭部共軸驅動方式、頭部多驅動方式（3個驅動點以上）、頭尾驅動方式、頭中尾驅動方式等等；優(yōu)化驅動方式及驅動點的設置從系統(tǒng)設計角度來說，可在同等方式下降低對膠帶帶強的要求和提高系統(tǒng)安全系數(shù)，針對多驅動點設計特點，采用變頻驅動方式不僅僅是裝置數(shù)量上的增加，驅動設備間的控制協(xié)作成為

8、最主要的因數(shù)，在后文中“多驅動點間速度及轉矩的協(xié)調”中有針對性的闡述。u 變頻裝置選用涉及的其他問題；變頻裝置屬于電氣設備，從設備安裝、接地方式，附屬配電設備的選擇等等很多方面都需要考慮，一般來講主要涉及：Ø 設安置地點與驅動點間的距離；Ø 變頻裝置對電網(wǎng)的干擾及諧波處理；Ø 變頻裝置與控制系統(tǒng)的集控方式及接口形式；Ø 對弱電系統(tǒng)的干擾；Ø 連接電機的類型及相關問題；Ø 實現(xiàn)相對特殊的功能如：對處于發(fā)電工況的帶式輸送設備采用可回饋方式的變頻裝置等較為特殊的應用問題；從項目投資角度出發(fā)，還存在變頻裝置實際應用方案的選擇如：針對諧波治理問

9、題可選用多脈波整流方案、針對發(fā)電工況選用四象限傳動裝置、針對驅動功率選擇變頻器的電壓等級等等，這都將導致變頻裝置本身的造價及輔助系統(tǒng)的造價的變化。2、 明確帶式輸送機的控制要求，結合變頻器特性優(yōu)化系統(tǒng)控制；帶式輸送設備的輸送帶在實際的運行中各點的受力不均勻，原因主要是由于各點承受的阻力不同，但最大拉力點產生于驅動滾筒的“趨入點”外如右圖所示：而傳送帶最小拉力卻不固定。根據(jù)這一特點，在帶式輸送機起動時，根據(jù)膠帶張力傳遞特性，張力由驅動點與膠帶運行方向相反的方向進行傳遞，且張力是以恒定的速度進行傳遞的，因此，起動/停車速度過快會都導致應力波的產生，并對設備產生一定的危害，所以從理論角度出發(fā)，帶式輸

10、送設備的起、停控制需采用緩起緩停的方式，甚至針對采用機械制動方式的帶式輸送設備提出了“零速抱閘”的要求，這點對于長距離工況復雜的帶式輸送機的驅動控制顯得尤為重要，一般情況下，特長距離帶式輸送機的起動加速度不大于0.05ms2，中長距離帶式輸送機的起動加速度不大于0.1 ms2。變頻器主要的特點就是對電機的速度和轉矩的控制能力強，因此依據(jù)這一特性，帶式輸送機采用變頻驅動方式時的起、停控制可以達到較理想的狀態(tài)，通常來講變頻器控制電機的加速曲線如圖示一所示： 圖示一 圖示二 通過對變頻器加、減速時間T1、T2的調整，可以改變加速曲線的斜率從而改變起動的加速度，但變頻器控制電機加減速時間是有性能參數(shù)限

11、制的一般是03600秒，針對于長距離帶式輸送機來講直接采用這種方式仍然不能滿足，根據(jù)變頻裝置的本身特點進行優(yōu)化控制如圖示二所示的起動曲線雙S形起動曲線，與前者不同的是，經過0T1時間內的短時加速后，變頻裝置可控制電機在T1T2時間內低的速運行一段時間，待張力分布均勻后，變頻器控制電機再次加速達到額定轉速，這一起動過程可大幅度降低系統(tǒng)的沖擊，同時采用這種方式也可降低對膠帶帶強的要求，T1T2的低速時間段可依據(jù)帶式輸送機的長度進行相應設置，但這需要外圍控制系統(tǒng)進行配合，實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。3、 多驅動點間速度及轉矩的協(xié)調 控制精度決定于變頻器的控制方式，無傳感器的矢量控制方式（以西門子為代表）和D

12、TC直接轉矩控制方式（以ABB為代表）這兩種控制方式雖然源于不同的控制思想，兩者都屬于控制精度較高、較先進的控制方式，不過對于驅動帶式輸送機來講，較高的速度和轉矩控制精度似乎重要性并不高，但是，對于驅動方式相對復雜的帶式輸送機的驅動控制來講，因傳動設備需協(xié)調驅動點電動機的速度和轉矩，為提高控制精度往往通過在負載側增加轉矩和速度檢測環(huán)節(jié)，而先進的控制方式（無傳感器的矢量、DTC控制方式）具備較高的轉矩和速度的控制精度，無需外圍轉矩、速度控制環(huán)節(jié)，因此，采用先進的控制方式可簡化控制系統(tǒng)結構提高控制系統(tǒng)的魯棒性。為了降低對帶強要求長距離帶式輸送機在設計上多采用多驅動點驅動方式，驅動點可分布于輸送帶頭

13、、中、尾幾個部位，實際上變頻裝置應用在多驅動點的帶式輸送機上，主要的應用難點實際在于各驅動點間的功率分配，從理論角度分析各驅動點間的力矩平衡是確保設備穩(wěn)定運行的關鍵，以下圖示中的帶式輸送機為例：驅動點位于頭部和尾部，由于傳送帶本身屬于粘彈性特性，輸送帶在滿載和空載狀態(tài)下的拉伸長度不同，故輸送帶長度的變化需頭、尾兩驅動點間的轉速差來找正，變頻裝置以轉矩為前提條件控制電機的速度，然而，如何能較好的平衡驅動點的出力，控制系統(tǒng)的結構也是一個關鍵環(huán)節(jié)，如下圖所示中的兩種較典型的控制結構： 第一種控制系統(tǒng)的結構中控制主體在于外圍PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)通過對比外圍檢測環(huán)節(jié)的反饋的電機實際運行狀態(tài)和變頻器運行

14、狀態(tài)的反饋信號進行對比，運算后通過模擬量信號控制兩變頻器的出力，與第二種控制系統(tǒng)結構相比，該控制方式結構相對復雜，如果系統(tǒng)中負載側的檢測環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將給系統(tǒng)控制帶來一定的問題，當然，如果將第一種控制方式中的外圍檢測環(huán)節(jié)取消，控制系統(tǒng)采用開環(huán)方式，PLC通過模擬量型號采集變頻裝置的運行狀態(tài)，同時通過模擬量信號控制兩變頻器的輸出，但是，由于信號模擬兩輸入、輸出信號在線路上的衰減會控制中產生一定的誤差。根據(jù)實際的應用實例，當兩驅動電機采用共軸連接方式時，控制系統(tǒng)的誤差最終反映到電機的轉矩輸出上，轉矩通過減速機放大，因此，帶式輸送機采用變頻驅動方式后如轉矩平衡不好，且變頻裝置具有轉矩過載能力的特性，

15、很容以導致減速機齒輪被損壞設置滾筒軸承斷裂。如上圖示中第二種控制結構中的PLC實際不參與傳動裝置間的力矩平衡控制，兩變頻器間采用光纖通訊方式（或其他方式），兩變頻器間通過自身的軟件來自主協(xié)調驅動點間的轉矩輸出，顯然，這種自適應的控制方式具有較好的轉矩平衡能力，但要求變頻裝置本身具有這方面功能。 伴隨著新技術、新材料的發(fā)展和應用，帶式輸送及機在技術和應用方面有了更加廣泛的領域，而變頻裝置無論從控制精度還是性能上也將不斷提高，帶式輸送機采用變頻驅動方式實際涉及的內容較多，本文僅從幾個方面進行了簡單的探討，為實際的應用提供一些參考。參考書目： 張鉞，劉宇琦，越野式輸送機是開發(fā)大西北礦業(yè)、電業(yè)、糧倉等

16、工程的銳利武器 . 礦山機械，2000（8）張鉞，法國長距離帶式輸送機的設計特點，連續(xù)輸送技術，1990（2）張鉞，新型帶式輸送機設計手冊 . 冶金工業(yè)出版社，2001（3）宋偉剛 . 帶式輸送機的動力學模型，連續(xù)輸送技術，1995（2） 天津電機傳動設計研究所編 . 電氣傳動自動化技術手冊 . 北京：機械工業(yè)出版社，1992【日】三菱電機株式會社編 . 變頻調速器使用手冊 . 許振茂等譯 . 北京：兵器工業(yè)出版社，1992 陳伯時，竺偉 . 高壓變頻調速技術 . 電工技術雜志，1999（3）Osman R.A Survey of Design issues and Performance Characteristics of Popular Medium-Voltage Induction Motor Drives. Proceedings IPEMC97 Robicon C