變頻器在運輸機系統(tǒng)的應用

變頻器在運輸機系統(tǒng)的應用煤炭科學研究總院上海分院測試中心2010-9-15

目前，煤礦膠帶輸送機發(fā)展方向：高速度(5.6m/s)大運量(年產量2000萬噸）長距離（主井4.7km、大巷9km、順槽6km)大傾角(35度)、大功率(單機2240KW，總裝機功率3*1800+3*1800kW）大型帶式輸送機的性能、可靠性、經濟性和使用壽命在很大程度取決于驅動裝置的性能。一、運輸機對驅動裝置的基本技術要求起動加速度不大于0．3m/s2的慢速起動；多臺電機的功率不平衡誤差不大于±3%的自動平衡的功能；下運電控系統(tǒng)應具有控制減（加）速度不大于0．8m/s2時實施制動的功能；實現低速驗帶功能；滿足運輸機恒轉矩負載特性；實現重載啟動。二、幾種運輸機驅動方式的比較目前國內井下帶式輸送機的驅動方式常用的有：電氣軟啟動、CST、調速型液力偶合器、變頻器等。電氣軟啟動實質是降壓啟動，故機械特性偏軟，難于滿足大功率的帶式輸送機重載啟動的要求。

通過以下比較，從實現驗帶功能、功率平衡精度、節(jié)能、初期投資、后期維護等方面看，變頻驅動有著明顯的優(yōu)勢。序號特性CST調速型液力偶合器變頻起動1軟起動特性好較好好2控制系統(tǒng)復雜簡單簡單3功率平衡較好較好好4傳動效率高較高高5可靠性可靠可靠可靠6體積大最大小7運行成本高低最低8節(jié)能高低最高9價格（1000KW以上）高低最低10低速驗帶困難困難可以CST、調速型液力耦合器、變頻驅動方案比較變頻驅動的運輸機起動過程中3臺電機的電流曲線（晉城礦務局成莊煤礦主斜井運輸機實測）三、變頻器在運輸機系統(tǒng)上的適應性

1、軟啟動對于籠型或繞線轉子異步電動機，其轉速為

n=60f(1-s)/pn

式中s=轉差率變頻調速是最為理想的調速方法電壓源型交-直-交變頻器應用最多。

IGBT綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點，既有MOSFET電壓控制型器件驅動功率小、開關頻率較高（一般為20kHz以下）的特點，又有GTR電壓電流值較大的長處。因此，在中等容量的變頻器、逆變器中，得到了廣泛的應用。變頻驅動的運輸機啟動時的速度（紅色）曲線（晉城礦務局成莊煤礦主斜井實測）2、恒轉矩負載特性恒轉矩負載在不同的轉速下，負載的阻轉矩基本恒定，由PL=TLnL/9550知，恒轉矩負載的功率是和轉速成正比的。恒轉矩負載的典型例子如帶式輸送機。帶式輸送機變頻驅動有節(jié)能效果也基于此，運量小時可低速運行。對于恒轉矩負載來說，應首先考慮選用具有無反饋矢量控制功能的變頻器，使電動機在變頻后的大部分頻段，具有真正的恒轉矩特性，較好地滿足負載的要求。3、重載啟動運輸機要求啟動力矩達到額定力矩的1.5倍。一般來說，凡是在工作過程中可能使電動機短時過載的場合，變頻器的容量都應加大一檔。4、變頻調速的制動下運運輸機在超速時有制動要求，變頻器可滿足其制動要求。通常有兩種方式：

1）外接制動電阻和制動單元

2）有源逆變5、功率平衡運輸機多電機驅動有功率平衡要求，起到均衡電機壽命的目的。功率平衡多采用主從方式，例如2：1布置的機頭集中驅動的運輸機，3臺變頻器一對一驅動3臺電機，其中一臺設為主機，另外兩臺設為從機。變頻器之間的數據交換可通過以下途徑實現：

1）變頻器之間主從控制板光纖連接；

2）變頻器與控制系統(tǒng)的控制器通訊連接，數據交換通控制器轉發(fā)；

3）變頻器之間的數據交換通過變頻器模擬量輸入/輸出口連接。主機和從機之間為剛性連接時控制原理速度給定速度PI調節(jié)器速度力矩選擇力矩電流轉換器速度調節(jié)器模式主機編碼器反饋速度給定速度PI調節(jié)器速度力矩選擇力矩電流轉換器力矩調節(jié)器模式從機編碼器反饋視窗控制主機和從機之間為柔性連接時控制原理

速度給定速度PI調節(jié)器速度力矩選擇力矩電流轉換器速度調節(jié)器模式主機編碼器反饋速度給定速度PI調節(jié)器速度力矩選擇力矩電流轉換器速度調節(jié)器模式從機編碼器反饋轉差率四、變頻器與運輸機控制系統(tǒng)的接口1、通訊方式變頻器可以通過標準的通訊協(xié)議（如Profibus-DP、Modbus、Devicenet等）與控制器之間交換數據。2、變頻器和控制系統(tǒng)的I/O接口變頻器與控制系統(tǒng)的交換數據可通過變頻器配置的I/O口來實現。變頻器配置的模擬量、數字量輸入/輸出口用戶可根據需要設定對應參數。通常情況下交換的信號有：從控制系統(tǒng)到變頻器的信號：速度給定4...20mA

變頻器開變頻器停緊急停機輔助設備準備好從變頻器到控制系統(tǒng)的信號：變頻器預備變頻器運行變頻器報警變頻器故障電機過速變頻器過載電機轉速：4...20mA

電機電流：4...20mA

到進線柜信號：開關合五、隔爆型變頻器應用中應注意的問題1、冷卻方式

散熱是防爆變頻器遇到最大的難題。

在變頻器內部：逆變模塊約占整個變頻器所有散熱量的一半；整流模塊所發(fā)的熱量約占整個變頻器的45%；而剩下的5%則是電解電容、充電電阻、均壓電阻以及印制板上的發(fā)熱元件等所發(fā)生的熱量。變頻器的熱功耗大約為其額定功率的2～3%，也就是說若電機的額定功率為400KW，其發(fā)熱量大約為8～12KW。那么在一個密閉的防爆腔里怎樣能把這些熱量及時、迅速的傳遞出去并散發(fā)掉，這是防爆變頻器能否長期正常運作的關鍵。目前常用的冷卻方式有：1）、強制風冷（非隔爆型或小功率）；2）、熱管交換；3）、熱管交換+強制風冷（隔爆型冷卻風扇）；4）、水冷。采用熱管交換方式的變頻器散熱能力會受到熱管散熱能力的限制。水冷方式散熱效果最好，要求有水源，另外為防止水管結垢，對水質也有一定要求。水冷變頻器一般采用內循環(huán)、外循環(huán)兩個水路并用的模式，內循環(huán)所采用的水為去離子水，在變頻器正常使用年限內，此水是無需更換的。諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災。諧波影響各種電器設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。諧波會引起公用電網中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，使危害加劇，甚至引起嚴重事故。諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電器測量儀表計量不準確。諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；重者導致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。諧波有哪些危害2、諧波抑制IEEE519-1992國際標準GB/T14549-93國家標準輸入諧波的標準GB/T14549-93國家標準對電壓而言，就6KV和10KV電網要求電壓總諧波不超過4%對電流而言，在基準短路容量為100MVA的條件下，對每次諧波電流的幅值提出了具體的要求，對6KV電網：

2次諧波電流小于43A3次諧波電流小于34A4次諧波電流小于21A5次諧波電流小于34A6次諧波電流小于14A將各次諧波換算成百分比，也為4%左右。二極管六脈沖整流電路電路簡單,可靠直流母線電壓VDC=1.35*Vin通常用在PWM電壓源型變頻器中六脈沖二極管整流電路輸入電流波形12脈沖二極管整流電路12脈沖二極管整流電路輸入電流減少輸入諧波的有效措施是將輸入變壓器進行多重化設計形成多脈沖整流從理論上可以推導出下列結論：12脈沖整流：11次以下諧波自動抵銷18脈沖整流：17次以下諧波自動抵銷24脈沖整流：23次以下諧波自動抵銷30脈沖整流：29次以下諧波自動抵銷36脈沖整流：35次以下諧波自動抵銷而諧波的幅值與次數是成反比的消除輸入諧波的有效方法六、中、高壓變頻器在主斜井運輸機上的應用

主斜井運輸機的單機功率已達到2240KW，多采用中、高壓變頻器，非防爆通用變頻器。

中、高壓變頻器現狀分析電流源方案三電平方案完美無諧波功率單元串聯(lián)多電平方案主流方案

電流源型逆變部分采用晶閘管、GTO或IGCT、SGCT直接串聯(lián)解決耐壓問題，直流部分用電抗器存儲存能量，目前技術水平可做到7.2KV電壓輸出。電流源方案電流源型高壓變頻器原理圖

該方案的優(yōu)點是：123主電路結構比較簡單容易實現再生回饋制動容量大該方案的缺點是：缺點輸入側的功率因數低

dv/dt問題比較突出，損害電機絕緣諧波含量高，對電網和其他設備干擾大

一旦出現某功率器件損壞，往往引發(fā)成組器件大范圍損壞，極難修復三電平型高壓變頻器采用鉗位電路，解決了兩只功率器件串聯(lián)的問題，并使其相電壓輸出具有三個電平。輸出電壓多為2.3KV、3.3KV、4.16KV。三電平方案三電平型高壓變頻器原理圖+-C1C2123456ABCM3-0該方案的優(yōu)點是：123主電路結構比較簡單容易實現再生回饋制動容量大4體積比較小該方案的缺點是一旦出現某功率器件損壞，往往引發(fā)成組器件大范圍損壞，極難修復諧波含量高，對電網和其他設備干擾大dv/dt

問題比較突出，對電機絕緣有損害輸入側的功率因數低方案的缺點

該方案采用多個低壓的功率單元串聯(lián)實現高壓輸出。輸入側的隔離變壓器采用移相方式形成幾十甚至上百脈波整流效果，可有效消除對電網的諧波污染。輸出側采用多電平正弦PWM技術，逆變單元串聯(lián)輸出使施加在電機定子繞組上的du/dt比較前兩個方案大大降低，因此可適用于任何電壓的普通電機，甚至是老系統(tǒng)舊電機。功率單元串聯(lián)多電平方案

———目前市場占有率較高的高壓變頻器類型

多電平串聯(lián)型高壓變頻器原理圖A1B1C1A2B2C2A3B3C3A4B4C4A5B5C5A6B6C6motor該方案的優(yōu)點是：輸出波形較好，對電機絕緣損害小1輸入側的功率因數高2運行非常安全可靠效率高諧波含量極低，對電網和其他設備無干擾容量大3456該方案的缺點是方案的缺點主電路結構稍顯復雜體積稍大去變壓器二次側功率單元輸出光纖通信連接至主連接板單元控制電路Q1Q3Q2Q4COIL旁路接觸器功率單元旁路電路

快速功率單元旁路技術

新的功率單元旁路策略，自動旁路技術，旁路時間在250ms以內從物理上完全旁路掉故障功率單元允許每相有不同的功率單元數量三相線電壓平衡(中心點漂移技術)，發(fā)揮功率單元最大輸出能力相比顯著提高輸出電壓能力美國專利號5,986,909.已注冊國際專利技術完全自動旁路，適用異步電機和同步電機AA5A4A3A2A1B1B2B3B4B5C1C2C3C4C5100%電壓輸出VACVBAVCBBC120TYP.No每相5個功率單元串聯(lián)，正常運行95132.5132.5oooABCVACVBAVCBA3A2A1B1B2B3B4B5C1C2C3C4C5A4,A5旁路，調整相位角，輸出電壓對稱，可達80%旁路A4,A5新的旁路技術(中心點偏移)功率因數負載百分比輸入功率因數曲線功率單元串聯(lián)高壓變頻器

電流源型變頻器輸入電流波形與整流形式有關，該變頻器6KV整流電路脈沖數為36脈沖，35次以下諧波自動抵銷，輸入諧波遠遠小于規(guī)定的標準，在不用濾波器情況下一般在2%左右，優(yōu)于IEEE519-1992國際標準和GB/T14549-93國家標準。

功率單元串聯(lián)變頻器滿載時輸入波形GTO/SGCT電流源型逆變器輸出波形CurrentVoltageNPC逆變器輸出波形輸出電壓dv/dt完美無諧波變頻器輸出相電壓波形CELL1單元1CELL2單元2CELL3單元3COMPOSITE合成dv/dt

1400kW/6kV功率單元串聯(lián)變頻器滿載50Hz實測波形A-B相線電壓波形A相電流波形同忻主斜井帶式輸送機主要參數運輸機型式：頭部卸料，尾部受料，采用頭部三驅動+中間三驅。運輸能力:4800t／h膠帶寬度:1.8m帶速:5m/s運輸長度（斜長）: