大功率變頻器在大型礦用膠帶運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用探討 - 復(fù)制

1、礦用大型膠帶運(yùn)輸機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方式的應(yīng)用實(shí)踐及探討引言：一直以來，煤炭行業(yè)都是支持國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，近些年，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)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(chǎn)能不斷增加。先進(jìn)的采煤工藝及國際先進(jìn)的大型設(shè)備的不斷引進(jìn)及裝備，使得原有生產(chǎn)方式相對傳統(tǒng)的煤炭行業(yè)，在不覺中已經(jīng)被推入到一個(gè)以技術(shù)應(yīng)用為主導(dǎo)的發(fā)展階段，很多超前的技術(shù)手段和國際領(lǐng)先的設(shè)備都開始在煤礦生產(chǎn)的掘、采、運(yùn)、洗等環(huán)節(jié)中應(yīng)用。帶式輸送設(shè)備在煤炭生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用于礦料的輸送、轉(zhuǎn)載，隨著煤礦產(chǎn)量的增加，帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)功率增加、驅(qū)動(dòng)點(diǎn)數(shù)量增多、應(yīng)用方式相對復(fù)雜，帶式輸送設(shè)備的啟動(dòng)問題也因此逐漸

2、顯現(xiàn)出來，變頻器驅(qū)動(dòng)作為帶式輸送機(jī)啟動(dòng)方式的一種在國外同行業(yè)、同應(yīng)用領(lǐng)域很早就有應(yīng)用，而在國內(nèi)尚處于初期，因帶式輸送設(shè)備的種類較多，本文僅針對廣泛應(yīng)用于煤炭行業(yè)中的帶式輸送機(jī)俗稱“皮帶機(jī)”，對其采用變頻驅(qū)動(dòng)方式從設(shè)計(jì)方面到實(shí)際選用進(jìn)行一些簡單的探討。主題詞：帶式輸送機(jī)的負(fù)載特性、自適應(yīng)控制方式、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的配合關(guān)系、雙S曲線啟動(dòng)方式、減力停車、“零速”抱閘。帶式輸送機(jī)因其系統(tǒng)構(gòu)造簡單運(yùn)行穩(wěn)定性較高，在煤炭行業(yè)各環(huán)節(jié)中擔(dān)負(fù)著輸送礦料的作用，驅(qū)動(dòng)功率大、驅(qū)動(dòng)點(diǎn)數(shù)量多、傳送距離長等特點(diǎn)是目前礦用大型帶式輸送機(jī)的特點(diǎn)。在國內(nèi)變頻器在帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用，最早主要是解決大功率電機(jī)直接啟動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊問題，

3、變頻器本身僅作為“軟啟動(dòng)”裝置，但是，因變頻器本身具有很強(qiáng)的速度、轉(zhuǎn)矩控制能力，因此，在實(shí)際的應(yīng)用中逐漸被結(jié)合到帶式輸送機(jī)的實(shí)際工藝中，變頻器不再僅僅作為“軟啟動(dòng)”裝置，而是成為帶式輸送設(shè)備的一種較好的驅(qū)動(dòng)控制方式。下面從幾個(gè)方面對變頻器驅(qū)動(dòng)方式的應(yīng)用進(jìn)行一些探討：1、 緊密結(jié)合皮帶機(jī)工藝，合理選擇驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)是項(xiàng)目順利實(shí)施的一個(gè)關(guān)鍵，變頻傳動(dòng)裝置在大型帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用上不光要結(jié)合工藝進(jìn)行選型，且需要通過變頻傳動(dòng)裝置與控制系統(tǒng)的配合達(dá)到實(shí)際的應(yīng)用目的，這就要求工藝設(shè)計(jì)與電氣配套采用一體化的思路，同時(shí)也應(yīng)該配合實(shí)際選用的變頻傳動(dòng)裝置的功能特性進(jìn)行合理配置，通常在變頻裝置的選用和設(shè)計(jì)上需配合帶

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

5、擇，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓等級；該因素涉及到電機(jī)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(shí)際的應(yīng)用實(shí)例驅(qū)動(dòng)點(diǎn)功率在800kw以下時(shí)可以選擇低壓傳動(dòng)裝置（設(shè)備額定電壓在1kv以下），因低壓交流傳動(dòng)裝置設(shè)備本身的技術(shù)成熟度、造價(jià)、維修便易程度等因素，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)功率在800kw以下時(shí)，綜合系統(tǒng)投資維護(hù)等因素采用低壓變頻驅(qū)動(dòng)方案相對較為合理，但該方案存在配電設(shè)備相對較多、負(fù)載側(cè)的運(yùn)行電流較大、除變頻裝置外的外圍投資較大的缺點(diǎn)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)功率大于800kw時(shí)，選用中壓變頻裝置（電壓等級在1kv10kv），從系統(tǒng)造價(jià)、負(fù)載運(yùn)行電流等問題上綜合考慮，采用中壓變頻驅(qū)動(dòng)裝置是相對合理的方案，但由于中壓驅(qū)動(dòng)裝

6、置本身的結(jié)構(gòu)和技術(shù)手段的不同在實(shí)際應(yīng)用中仍然處于爭論中現(xiàn)國際知名廠商生產(chǎn)的高性能中壓傳動(dòng)裝置因與低壓傳動(dòng)裝置相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備中采用高壓功率管件構(gòu)成傳動(dòng)裝置造價(jià)較高、維護(hù)技術(shù)難度大，而中壓傳動(dòng)裝置的另一種結(jié)構(gòu)（采用低壓功率器件構(gòu)成的，多單元串連結(jié)構(gòu)的變頻裝置）該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定該類傳動(dòng)裝置屬風(fēng)機(jī)泵類專用型變頻器，多應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載上，因其該結(jié)構(gòu)采用低壓功率器件成本相對較低，現(xiàn)在國內(nèi)煤炭行業(yè)的大型帶式輸送上也有應(yīng)用。u 棧橋的坡度、角度、帶速、運(yùn)量、驅(qū)動(dòng)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(nèi)容是傳動(dòng)裝置的應(yīng)用，實(shí)際上皮帶機(jī)機(jī)械部分從設(shè)計(jì)角度來講相對比較復(fù)雜，但推究到理論

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

8、最主要的因數(shù)，在后文中“多驅(qū)動(dòng)點(diǎn)間速度及轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)”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(shè)備，從設(shè)備安裝、接地方式，附屬配電設(shè)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(shè)安置地點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)點(diǎn)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(jī)的類型及相關(guān)問題；Ø 實(shí)現(xiàn)相對特殊的功能如：對處于發(fā)電工況的帶式輸送設(shè)備采用可回饋方式的變頻裝置等較為特殊的應(yīng)用問題；從項(xiàng)目投資角度出發(fā)，還存在變頻裝置實(shí)際應(yīng)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(dòng)裝置、針對驅(qū)動(dòng)功率選擇變頻器的電壓等級等等，這都將導(dǎo)致變頻裝置本身的造價(jià)及輔助系統(tǒng)的造價(jià)的變化。2、 明確帶式輸送機(jī)的控制要求，結(jié)合變頻器特性優(yōu)化系統(tǒng)控制；帶式輸送設(shè)備的輸送帶在實(shí)際的運(yùn)行中各點(diǎn)的受力不均勻，原因主要是由于各點(diǎn)承受的阻力不同，但最大拉力點(diǎn)產(chǎn)生于驅(qū)動(dòng)滾筒的“趨入點(diǎn)”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(diǎn)，在帶式輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)，根據(jù)膠帶張力傳遞特性，張力由驅(qū)動(dòng)點(diǎn)與膠帶運(yùn)行方向相反的方向進(jìn)行傳遞，且張力是以恒定的速度進(jìn)行傳遞的，因此，起動(dòng)/停車速度過快會(huì)都導(dǎo)致應(yīng)力波的產(chǎn)生，并對設(shè)備產(chǎn)生一定的危害，所以從理論角度出發(fā)，帶式輸

10、送設(shè)備的起、?？刂菩璨捎镁徠鹁?fù)５姆绞?，甚至針對采用機(jī)械制動(dòng)方式的帶式輸送設(shè)備提出了“零速抱閘”的要求，這點(diǎn)對于長距離工況復(fù)雜的帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制顯得尤為重要，一般情況下，特長距離帶式輸送機(jī)的起動(dòng)加速度不大于0.05ms2，中長距離帶式輸送機(jī)的起動(dòng)加速度不大于0.1 ms2。變頻器主要的特點(diǎn)就是對電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩的控制能力強(qiáng)，因此依據(jù)這一特性，帶式輸送機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)方式時(shí)的起、停控制可以達(dá)到較理想的狀態(tài)，通常來講變頻器控制電機(jī)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(shí)間T1、T2的調(diào)整，可以改變加速曲線的斜率從而改變起動(dòng)的加速度，但變頻器控制電機(jī)加減速時(shí)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(jī)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(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化控制如圖示二所示的起動(dòng)曲線雙S形起動(dòng)曲線，與前者不同的是，經(jīng)過0T1時(shí)間內(nèi)的短時(shí)加速后，變頻裝置可控制電機(jī)在T1T2時(shí)間內(nèi)低的速運(yùn)行一段時(shí)間，待張力分布均勻后，變頻器控制電機(jī)再次加速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，這一起動(dòng)過程可大幅度降低系統(tǒng)的沖擊，同時(shí)采用這種方式也可降低對膠帶帶強(qiáng)的要求，T1T2的低速時(shí)間段可依據(jù)帶式輸送機(jī)的長度進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，但這需要外圍控制系統(tǒng)進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。3、 多驅(qū)動(dòng)點(diǎn)間速度及轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào) 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(zhuǎn)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(jìn)的控制方式，不過對于驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)來講，較高的速度和轉(zhuǎn)矩控制精度似乎重要性并不高，但是，對于驅(qū)動(dòng)方式相對復(fù)雜的帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制來講，因傳動(dòng)設(shè)備需協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，為提高控制精度往往通過在負(fù)載側(cè)增加轉(zhuǎn)矩和速度檢測環(huán)節(jié)，而先進(jìn)的控制方式（無傳感器的矢量、DTC控制方式）具備較高的轉(zhuǎn)矩和速度的控制精度，無需外圍轉(zhuǎn)矩、速度控制環(huán)節(jié)，因此，采用先進(jìn)的控制方式可簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高控制系統(tǒng)的魯棒性。為了降低對帶強(qiáng)要求長距離帶式輸送機(jī)在設(shè)計(jì)上多采用多驅(qū)動(dòng)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)可分布于輸送帶頭

13、、中、尾幾個(gè)部位，實(shí)際上變頻裝置應(yīng)用在多驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的帶式輸送機(jī)上，主要的應(yīng)用難點(diǎn)實(shí)際在于各驅(qū)動(dòng)點(diǎn)間的功率分配，從理論角度分析各驅(qū)動(dòng)點(diǎn)間的力矩平衡是確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，以下圖示中的帶式輸送機(jī)為例：驅(qū)動(dòng)點(diǎn)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(qū)動(dòng)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)速差來找正，變頻裝置以轉(zhuǎn)矩為前提條件控制電機(jī)的速度，然而，如何能較好的平衡驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的出力，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如下圖所示中的兩種較典型的控制結(jié)構(gòu)： 第一種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和變頻器運(yùn)行

14、狀態(tài)的反饋信號進(jìn)行對比，運(yùn)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(jié)構(gòu)相比，該控制方式結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，如果系統(tǒng)中負(fù)載側(cè)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(dāng)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(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)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(huì)控制中產(chǎn)生一定的誤差。根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用實(shí)例，當(dāng)兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用共軸連接方式時(shí)，控制系統(tǒng)的誤差最終反映到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出上，轉(zhuǎn)矩通過減速機(jī)放大，因此，帶式輸送機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)方式后如轉(zhuǎn)矩平衡不好，且變頻裝置具有轉(zhuǎn)矩過載能力的特性，

15、很容以導(dǎo)致減速機(jī)齒輪被損壞設(shè)置滾筒軸承斷裂。如上圖示中第二種控制結(jié)構(gòu)中的PLC實(shí)際不參與傳動(dòng)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(diào)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)矩輸出，顯然，這種自適應(yīng)的控制方式具有較好的轉(zhuǎn)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(shù)、新材料的發(fā)展和應(yīng)用，帶式輸送及機(jī)在技術(shù)和應(yīng)用方面有了更加廣泛的領(lǐng)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(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)方式實(shí)際涉及的內(nèi)容較多，本文僅從幾個(gè)方面進(jìn)行了簡單的探討，為實(shí)際的應(yīng)用提供一些參考。參考書目： 張鉞，劉宇琦，越野式輸送機(jī)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(jī)械，2000（8）張鉞，法國長距離帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，連續(xù)輸送技術(shù)，1990（2）張鉞，新型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊 . 冶金工業(yè)出版社，2001（3）宋偉剛 . 帶式輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，連續(xù)輸送技術(shù)，1995（2） 天津電機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所編 . 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊 . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992【日】三菱電機(jī)株式會(huì)社編 . 變頻調(diào)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(shí)，竺偉 . 高壓變頻調(diào)速技術(shù) . 電工技術(shù)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