圖1所示為膠帶輸送機的簡單工藝圖,主要包括膠帶、驅動滾筒和減速機、托輥機架、張緊裝置、驅動裝置、製動裝置、控製及保護裝置等,如是物料輸送係統,還應包括給料機、收塵器、溜槽、料庫等。
一般理論認為,輸送帶由彈性單元組成,膠帶輸送機為柔粘性力學係統,具有明顯的運動力學特征,在啟動加速、停車減速及張力變化過程中均呈現出複雜的運動學特征,主要表現為橫向振動、縱向振動以及動態張力波在膠帶中的傳播和疊加,造成輸送係統的不穩定,具體表現為膠帶斷裂、機械損害、局部諧振跳帶、疊帶、撒料等。因此,選用合適的驅動設備控製膠帶輸送機的工作張力和啟動、製動加速度,優化膠帶輸送機的運行工況,對於有效延長其使用壽命、保證膠帶輸送機安全穩定地運行、保障煤炭生產具有重要的意義。
神華能源股份有限公司原有的帶式輸送機一般采用CST、調速型液力偶合器等機械和液壓方式驅動設備,存在著效率低、維護複雜、工作環境差、不能調速運行、非線性、啟動電流大等缺陷,而且由於啟動加速度大,導致膠帶持續波動、張力特性較差,無法對長距離輸送的動態優化和安全啟動提供有效的保證。
隨著電力電子技術的發展,變頻技術在近20年(nian)得(de)到(dao)了(le)飛(fei)速(su)的(de)發(fa)展(zhan),獲(huo)得(de)了(le)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)。變(bian)頻(pin)器(qi)應(ying)用(yong)於(yu)輸(shu)送(song)機(ji)類(lei)恒(heng)轉(zhuan)矩(ju)負(fu)載(zai)的(de)調(tiao)速(su)驅(qu)動(dong)過(guo)程(cheng),優(you)化(hua)了(le)膠(jiao)帶(dai)輸(shu)送(song)機(ji)的(de)啟(qi)停(ting)特(te)性(xing),具(ju)有(you)啟(qi)動(dong)衝(chong)擊(ji)小(xiao)、可靠性高、調速範圍寬、節能等特點。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,對帶式輸送機的驅動進行改造,取得了較好的經濟效益。
1、變頻器簡介
把直流電轉換為交流電的裝置被稱為逆變器,而把直流電源逆變為頻率、dianyajunketiaodenibianqijiweibianpinqi。bianpinqishuchudeboxingshimonizhengxianbo,zhuyaoyongyusanxiangyibudiandongjidesudutiaozheng,guyoubeijiaozuobianpintiaosuqi。muqiansuoshiyongdebianpinqitongchangcaiyongjiaoyizhiyijiaobianpinfangshi,xianbagongpinjiaoliudianyuantongguozhengliuqizhuanhuanchengzhiliudianyuan,ranhouzaibazhiliudianyuanzhuanhuanchengpinlv、電壓均可控製的交流電源供給異步電動機。
1.1變頻調速原理
變頻調速原理基於電動機的轉速公式:
由式(1)可(ke)見(jian),電(dian)動(dong)機(ji)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)速(su)度(du)主(zhu)要(yao)取(qu)決(jue)於(yu)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)磁(ci)極(ji)對(dui)數(shu)和(he)電(dian)源(yuan)頻(pin)率(lv)。由(you)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)可(ke)知(zhi),電(dian)動(dong)機(ji)的(de)磁(ci)極(ji)對(dui)數(shu)通(tong)常(chang)是(shi)固(gu)定(ding)不(bu)變(bian)的(de)。因(yin)此(ci),改(gai)變(bian)電(dian)動(dong)機(ji)供(gong)電(dian)電(dian)源(yuan)的(de)頻(pin)率(lv)就(jiu)可(ke)以(yi)自(zi)由(you)地(di)控(kong)製(zhi)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)速(su)度(du)。
在zai異yi步bu電dian動dong機ji恒heng轉zhuan矩ju變bian頻pin調tiao速su係xi統tong中zhong,隨sui著zhe變bian頻pin器qi輸shu出chu頻pin率lv的de變bian化hua,必bi須xu相xiang應ying地di調tiao節jie其qi輸shu出chu電dian壓ya,這zhe是shi由you三san相xiang異yi步bu電dian動dong機ji本ben身shen的de功gong率lv關guan係xi決jue定ding的de。如ru果guo僅jin改gai變bian頻pin率lv而er不bu調tiao整zheng輸shu出chu電dian壓ya,電dian動dong機ji將jiang被bei燒shao壞huai。特te別bie是shi當dang頻pin率lv降jiang低di時shi,該gai問wen題ti就jiu非fei常chang突tu出chu。為wei了le防fang止zhi電dian動dong機ji燒shao毀hui事shi故gu的de發fa生sheng,變bian頻pin器qi在zai改gai變bian頻pin率lv的de同tong時shi必bi須xu同tong時shi改gai變bian電dian壓ya。例li如ru,為wei了le使shi電dian動dong機ji的de旋xuan轉zhuan速su度du減jian半ban,變bian頻pin器qi的de輸shu出chu頻pin率lv必bi須xu從cong60 Hz改變到30 Hz,這時變頻器的輸出電壓就必須從400 V改變到約200 V。
1.2變頻控製原理
目前變頻器所采用的變頻控製技術通常為
PWM脈衝寬度調製技術和矢量控製技術。
1.2.1 PWM變頻控製原理
PWM(Pulse Width Modulation)即脈衝寬度調製技術,現以PWM中最常用的SPWM正弦波脈衝寬度調製技術為例說明PWM變頻控製的原理。
SPWM是指按正弦波規律調製輸出電壓中各脈衝寬度,使其平均值為正弦波,輸出波形如圖2所示。SPWM含han載zai頻pin信xin號hao和he基ji準zhun信xin號hao,載zai頻pin信xin號hao為wei等deng腰yao三san角jiao波bo,基ji準zhun信xin號hao為wei正zheng弦xian波bo。通tong過guo正zheng弦xian波bo與yu三san角jiao波bo相xiang交jiao的de方fang法fa,確que定ding各ge分fen段duan矩ju形xing脈mai衝chong的de寬kuan度du。由you於yu三san角jiao波bo相xiang鄰lin兩liang腰yao間jian的de寬kuan度du隨sui其qi高gao線xian性xing變bian化hua,故gu任ren一yi條tiao不bu超chao過guo可ke調tiao製zhi範fan圍wei的de光guang滑hua曲qu線xian與yu三san角jiao波bo相xiang交jiao時shi,都dou會hui得de到dao一yi組zu等deng幅fu、等矩、maichongkuanduzhengbiyugaiquxianzhidejuxingmaichong。yongzhengxianboweijizhunxinhaoshi,kehuomaikuanyuzhengxianbozhiduiyingdejuxingmaichongxulie。gaimaichongxuliexinhaoyongyunibianqidianzikaiguandekaitongyuguanduankongzhishi,gaibianzhengxianbojizhunxinhaodefuzhihepinlv,jikexiangyingdigaibiannibianqideshuchudianyayupinlv。
1.2.2矢量控製原理
shiliangkongzhidejibenyuanlishitongguocelianghekongzhiyibudiandongjidedingzidianliushiliang,genjucichangdingxiangyuanlifenbieduiyibudiandongjidelicidianliuhezhuanjudianliujinxingkongzhi,congerdadaokongzhiyibudiandongjizhuanjudemude。jutishijiangyibudiandongjidedingzidianliushiliangfenjieweichanshengcichangdedianliufenliang(勵磁電流)和產生轉矩的電流分量(轉矩電流),分別加以控製,並同時控製2個分量的幅值和相位,即控製定子電流矢量,所以稱這種控製方式為矢量控製方式。
矢量控製可調整變頻器的輸出電壓,使電動機的輸出轉矩和電壓的平方成正比地增加,從而改善電動機的輸出轉矩。使用“矢量控製”,可以使電動機在低速時的輸出轉矩達到額定轉矩。
1.3變頻器構成
本文中應用的變頻器是12脈衝三電平PWM電壓源型變頻器,其電路可分為主回路(給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分)和控製回路(給主回路提供控製信號的回路)。本文主要介紹變頻器的主回路。
主回路由整流、中間直流環節、逆變3個部分組成,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,中間直流環節完成濾波、直流儲能和緩衝無功功率等功能。
整流部分:使用二極管整流,它把工頻交流電轉換成直流電。
直流環節;在整流部分整流後的直流電壓中,含有電源倍頻(主要是11和13倍)的脈動電壓,此外逆變部分產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑製電壓波動,采用電容器吸收此脈動電壓。
逆變部分:是將直流電轉換為所要求頻率的交流電,在所規定的時間內使12個IGBT元件導通、關斷,就可以得到三相交流輸出。
2、變頻器在礦井膠帶機輸送係統中的應用
2.1 中壓變頻器的應用實例
變頻器在神華能源股份有限公司某主斜井膠帶機輸送係統中的調速驅動原理如圖4所示。
驅動係統采用西門子Simovert MV係列2 300 V中壓變頻器,並采用羅克韋爾的PLC作為主從控製器,通過PROFIBUS- DP連接協調各驅動器之間的控製關係。,
根據現場工藝的要求,3套變頻器實現主從控製,即二次電動機設定為主傳動(將參數P242恒定值設定為O),工作在閉環速度控製模式,即跟隨1#電動機的速度,並且1#電動機的實際轉矩給其作為轉矩限幅。一次側2台同軸驅動的電動機中,1#設定為主傳動(將參數P242恒定值設定為1),2#設定為從驅動,工作在閉環轉矩控製即跟隨1#主zhu驅qu動dong的de轉zhuan矩ju。主zhu傳chuan動dong為wei閉bi環huan速su度du控kong製zhi模mo式shi,從cong傳chuan動dong則ze為wei閉bi環huan力li矩ju控kong製zhi模mo式shi,當dang二er次ci電dian動dong機ji的de速su度du達da不bu到dao給gei定ding速su度du時shi,速su度du環huan飽bao和he,這zhe時shi電dian流liu環huan起qi作zuo用yong,二er次ci電dian動dong機ji的de轉zhuan矩ju跟gen隨sui1#主電動機的轉矩。主從傳動之間通過適當的通信連接並合理地設置變頻器的參數,實現變頻器之間的負荷分配。
當主傳動進行維護或出現故障時,通過變頻器間的控製聯鎖,其中1台從傳動變頻器自動升為主傳動(參數P242自動置O),以確保傳輸帶仍能在降負荷下工作。
圖5所示為變頻器調速驅動係統所實現的膠帶輸送機啟動和停車時的優化“S”形特性曲線。膠帶機的啟動過程:由主從控製器PLC作為給定函數發生器,給出優化“S”型(xing)曲(qu)線(xian)作(zuo)為(wei)變(bian)頻(pin)器(qi)主(zhu)驅(qu)動(dong)的(de)速(su)度(du)給(gei)定(ding)信(xin)號(hao),同(tong)時(shi)主(zhu)驅(qu)動(dong)接(jie)收(shou)來(lai)自(zi)電(dian)動(dong)機(ji)軸(zhou)編(bian)碼(ma)器(qi)的(de)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)作(zuo)為(wei)速(su)度(du)負(fu)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)。主(zhu)傳(chuan)動(dong)速(su)度(du)輸(shu)出(chu)將(jiang)跟(gen)隨(sui)“S”型給定曲線上升,而主傳動輸出轉矩控製信號給從驅動,實現電流調節和功率平衡。停車過程類似上述啟動過程:膠帶卸料完畢,發出正常停車指令,“S”型曲線開始下降,由變頻器控製軟停車過程。當速度降低到允許機械抱閘時,各驅動裝置斷電停車。
2.2應用注意事項
(1)diankangqidezuoyongshifangzhibianpinqichanshengdegaocixiebotongguodianyuanshuruhuilufanhuidaodianwang,congeryingxiangqitashoudianshebei。yinggenjubianpinqiderongliangdaxiaojuedingshifouxuyaojiadiankangqi。
(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。當變頻器與電動機的距離較遠時,應該安裝濾波器。
(3)變頻器具有各種保護功能,但它在缺相保護方麵並不完美。斷路器可在主回路中起到過載、缺相等保護作用,變頻器選型時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可代替熱繼電器保護。
(4)應考慮散熱問題。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數地上升,使用壽命隨溫度升高而成指數地下降。環境溫度如升高10℃,變頻器使用壽命就會減半。本文中應用的變頻器是風冷型變頻器,其冷卻風扇的正常運行是變頻器正常運行的保障。
2.3變頻調速與傳統驅動性能的比較
傳統上,煤礦膠帶機多采用液力偶合器傳動。隨著電力電子技術的發展,變頻器(尤其是大功率變頻器)的應用得到了高速發展。根據運行實踐,筆者認為膠帶輸送機采用變頻調速係統與其它傳統驅動係統比較具有不可比擬的優勢:
(1) PWM調製實現調頻調幅同步,保證了設備的安全,並有效地抑製了諧波和噪聲。
(2)雖然膠帶機屬於恒轉矩負荷,其變頻節能效果不如平方轉矩負載的風機、bengleihao,danyouyumeikuangshengchandeteshuxing,jiaodaijimanzaideshijianjiaoduan,guqitiaosujienengxiaoguohaishijiaomingxiande。genjushice,caiyongbianpintiaosuxitonghou,dianhaojiaohengsuyunxingfangshixiajiang20%以上。
(3)變頻調速能降低膠帶機啟動時的動張力,延長膠帶壽命,減少轉動部件(滾筒、托輥等)的旋轉次數,減少磨損,相應地增加膠帶機的服務年限。
(4)變頻器還有故障率低、開機率高、維護量小且維修快捷、降低維護人員的工作強度等優點。
3、結語
變頻器在神華能源股份有限公司膠帶輸送工程中的應用已有1年,運行結果表明:采用變頻器調速驅動的膠帶機輸送係統具有運行穩定、可靠性高、程序修改靈活、操作方便等特點,為礦井生產長期穩定地運行起到了非常重要的作用。



