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北京利德華福電氣技術有限公司 劉福濤
摘要：采用高壓變頻器拖動帶式輸送機，是礦井提高皮帶壽命、安全可靠性的重要手段。本文通過對液力耦合器與變頻器在皮帶機應用的比較、bianpintiaosuxitongjiegoudefenxi，jieheshanxitiandiwangpomeiyeyouxiangongsidepidaigaizaoxianchang，jieshaopidaijixitongbianpingaizaoxiangguanjishu，yijigaoyabianpinqizaipidaijixitongshangdeyingyongqingkuang。
關鍵詞：皮帶機、高壓變頻器、矢量控製、轉矩協調、主從控製
一、 前言
皮帶機在煤礦的使用非常普遍。皮帶機上的皮帶是一個彈性體，因此，《煤礦安全規程》規定，大功率皮帶機必須加設軟啟動裝置。目前煤礦采用的軟啟動裝置絕大部分是液力耦合器。還有使用CST的（集變速箱，耦合器，電液控製為一體）。液力耦合器（液耦）suirannengbufenjiejuepidaijideruanqidongwenti，danhaishicunzaiweihugongzuoliangda，nenghaogao，duipidaiqiangduyaoqiugaodengbiduan。suizhegaoyabianpinjishudebuduanjinbuhewanshan，yijingzhubuqudaichuantongyeoudeweizhi。
二、用戶簡介
山西天地王坡煤業有限公司是由天地科技股份有限公司、shanxishengzezhouxianguoyouzichanguanlichuhemeitankexueyanjiuzongyuangongtongchuzizujiandeyouxianzerengongsi，weiyumeitanziyuanchuliangfengfudeshanxishengjinchengshizezhouxianjingnei，jujinchengshiquyue28公裏，井田麵積29.23平方公裏，可采儲量2.2億噸，是山西省、晉城市“九五”期間的重點工程項目之一，礦井年設計規模為150萬噸。如圖1所示：
圖1、天地王坡煤礦辦公樓
三、應用現場皮帶機係統基本情況介紹
皮帶機廣泛應用於礦山、冶金、meitandengbumen，shimeikuangdeguanjianshebei，tajianfuzhekuangjingshangxiashusongsongsanwuliaohuochengjianwupindezhongren。genjushusonggongyiyaoqiu，keyidantaishusong，yekeduotaizuchenghuoyuqitashusongshebeizuchengshuipinghuoqingxiedeshusongxitong，yimanzubutongbuzhixingshidezuoyexianxuyao。
天地王坡煤礦的皮帶機，由兩台電機拖動（2×1400kW），電機配置在機頭。如圖2所示：
圖2雙機驅動示意圖
主要參數如下
皮帶機參數：
輸送量Q=1800t/h；輸送長度L=1160m；傾角 θ=17°；帶寬B=1200mm；帶速V=4.5m/s；膠帶ST4000；安全係數m=7.34；功率P=1400×2kW；最大張力S=653570N
電機參數：
型號YB710S2-4；頻率範圍5-50HZ；功率1400kW；電壓6000V；電流159.5A；功率因數0.88
圖3 皮帶機改造現場
四、煤礦皮帶機變頻調速係統方案設計
首先簡要分析在拖動皮帶機配置上，傳統液耦的劣勢及高壓變頻器的優勢。
傳統液耦存在的弊端如下：
1、采用液耦，電動機必須先空載啟動。工頻啟動時，最初的電流很大，為電動機額定電流的4～7倍bei。啟qi動dong瞬shun間jian電dian流liu會hui在zai啟qi動dong過guo程cheng中zhong產chan生sheng衝chong擊ji，引yin起qi電dian動dong機ji內nei部bu機ji械xie應ying力li和he熱re應ying力li發fa生sheng變bian化hua，對dui機ji械xie部bu分fen造zao成cheng嚴yan重zhong磨mo損sun甚shen至zhi損sun壞huai。同tong時shi還hai將jiang引yin起qi電dian網wang電dian壓ya的de下xia降jiang，影ying響xiang到dao電dian網wang內nei其qi他ta設she備bei的de正zheng常chang運yun行xing，因yin此ci，大da容rong量liang的de皮pi帶dai機ji還hai必bi須xu附fu加jia電dian動dong機ji軟ruan啟qi動dong設she備bei。如ru：水電阻；
2、液耦長時間工作時會引起液體溫度升高，熔化金合塞，還會引起漏液，增大維護工作量，汙染環境；
3、采用液耦時皮帶機的加載時間較短，容易引起皮帶張力變化，因此對皮帶帶強度要求較高；
4、一般的皮帶機都是長距離大運量，通常都是多電機驅動，采用液耦驅動很難解決多電機驅動時的功率平衡問題。
采用高壓變頻器對皮帶機進行驅動的優勢如下：
1、真zhen正zheng實shi現xian皮pi帶dai機ji軟ruan啟qi動dong。通tong過guo電dian機ji慢man速su啟qi動dong帶dai動dong皮pi帶dai機ji緩huan慢man啟qi動dong，將jiang膠jiao帶dai內nei部bu貯zhu存cun的de能neng量liang緩huan慢man釋shi放fang，可ke將jiang輸shu送song機ji啟qi停ting時shi產chan生sheng的de衝chong擊ji減jian至zhi最zui小xiao，幾ji乎hu對dui膠jiao帶dai不bu造zao成cheng損sun害hai；
2、降低膠帶帶強。由於變頻器啟動時間可以在1～3600s內調整，皮帶機啟動時間通常在60～200s內nei根gen據ju現xian場chang情qing況kuang設she定ding。啟qi動dong時shi間jian延yan長chang大da大da降jiang低di對dui帶dai強qiang的de要yao求qiu，減jian少shao設she備bei初chu期qi投tou資zi。實shi際ji應ying用yong中zhong，由you於yu降jiang低di了le啟qi動dong衝chong擊ji，機ji械xie係xi統tong的de損sun耗hao也ye隨sui之zhi降jiang低di，尤you其qi托tuo輥gun及ji滾gun筒tong壽shou命ming大da大da延yan長chang；
3、shixianpidaijiduodianjiqudongshidezhuanjupingheng。yingyongbianpinqiduipidaijiqudongshikeyicaiyongyituoyikongzhi，duodianjiqudongshicaiyongzhuconghuoxietiaoguikongzhifangshi，shixianzhuanjupingheng；
4、驗帶功能。低速驗帶功能是皮帶機檢修的要求。變頻調速係統為無極調速的交流傳動係統，在空載驗帶狀態下可調整0～100%額定帶速範圍內的任意帶速；
5、平穩的重載啟動。變頻器低頻運轉可輸出2.2倍額定力矩，適於重載啟動；
6、自動調速。變頻器配合煤流傳感器可以根據負載輕重自動調節膠帶速度，節電的同時還減少了膠帶的磨損；
7、節(jie)能(neng)。對(dui)應(ying)於(yu)煤(mei)礦(kuang)的(de)特(te)殊(shu)生(sheng)產(chan)條(tiao)件(jian)，有(you)時(shi)，煤(mei)的(de)產(chan)量(liang)是(shi)極(ji)不(bu)均(jun)勻(yun)的(de)，當(dang)然(ran)皮(pi)帶(dai)機(ji)係(xi)統(tong)的(de)運(yun)煤(mei)量(liang)也(ye)是(shi)不(bu)均(jun)勻(yun)的(de)，在(zai)負(fu)載(zai)輕(qing)或(huo)無(wu)負(fu)載(zai)時(shi)，皮(pi)帶(dai)機(ji)係(xi)統(tong)的(de)高(gao)速(su)運(yun)行(xing)對(dui)機(ji)械(xie)傳(chuan)動(dong)係(xi)統(tong)的(de)磨(mo)損(sun)浪(lang)費(fei)較(jiao)為(wei)嚴(yan)重(zhong)，同(tong)時(shi)電(dian)能(neng)消(xiao)耗(hao)也(ye)較(jiao)低(di)速(su)運(yun)行(xing)大(da)的(de)多(duo)，但(dan)因(yin)生(sheng)產(chan)的(de)需(xu)要(yao)皮(pi)帶(dai)機(ji)係(xi)統(tong)又(you)不(bu)能(neng)隨(sui)時(shi)停(ting)車(che)，采(cai)用(yong)單(dan)獨(du)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)對(dui)前(qian)級(ji)運(yun)輸(shu)係(xi)統(tong)的(de)載(zai)荷(he)、本機運輸係統的載荷進行分別測量，這樣可控製變頻器降速或提前升速。對於載荷不均的皮帶機係統，可節約電能、降低皮帶的磨損。
其次介紹一下皮帶機采用變頻係統控製，可以選擇的不同控製方案。
皮帶機由多台電機拖動時，由於各電機輸出是通過皮帶耦合在一起的，因此需要考慮協調控製問題。根據電機學原理，對於滑差0.01的電機，變頻器輸出頻率相差0.2%時，將會導致約20%的(de)輸(shu)出(chu)轉(zhuan)矩(ju)不(bu)平(ping)衡(heng)，在(zai)輕(qing)載(zai)時(shi)，變(bian)頻(pin)器(qi)少(shao)量(liang)的(de)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)差(cha)別(bie)，還(hai)會(hui)導(dao)致(zhi)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)較(jiao)低(di)的(de)變(bian)頻(pin)器(qi)進(jin)入(ru)能(neng)量(liang)回(hui)饋(kui)狀(zhuang)態(tai)，進(jin)而(er)發(fa)生(sheng)過(guo)壓(ya)故(gu)障(zhang)。因(yin)此(ci)一(yi)般(ban)需(xu)要(yao)采(cai)取(qu)有(you)效(xiao)的(de)控(kong)製(zhi)手(shou)段(duan)，平(ping)衡(heng)各(ge)電(dian)機(ji)出(chu)力(li)。
在實際應用中，根據現場配置和要求不同，可選擇如下3種驅動方案：
1、對於功率較小（一般單機額定電流在50A以下），電機數量較少（一般不超過3台），低成本應用場合，可以選擇一拖多並聯運行方案；
2、對於需要主動進行各電機出力均衡控製的場合，如果電機數量較少，距離較近，係統構成較簡單，可采用主-從控製方案；
3、如果電機數量較多，或者相距較遠、係統較複雜，可采用統一協調控製方案。
一yi拖tuo多duo運yun行xing方fang式shi。多duo台tai電dian機ji由you一yi台tai變bian頻pin器qi拖tuo動dong，可ke以yi保bao證zheng多duo台tai的de轉zhuan速su相xiang同tong，電dian機ji根gen據ju其qi滑hua差cha特te性xing分fen配pei負fu載zai轉zhuan矩ju，需xu要yao各ge電dian機ji參can數shu較jiao為wei一yi致zhi。此ci種zhong方fang式shi下xia，由you於yu電dian機ji直zhi接jie並bing聯lian運yun行xing，因yin此ci變bian頻pin器qi無wu法fa控kong製zhi各ge電dian機ji的de出chu力li平ping衡heng，各ge電dian機ji出chu力li的de平ping衡heng性xing由you電dian機ji特te性xing差cha異yi、滾筒直徑差異、pidaibaoluojiaochayidengyinsujueding。gaifanganxitongchengbenzuidi，danbianpinqiguzhangjiangdaozhipidaixitongwufayunxing，yinerbutaishiyongyukaolvdianjirongyupeizhidechanghe。yishuangjiyunxingweilidezhuhuilujiegouturutu4所示，圖中工頻旁路為可選配置。
圖4一拖二並聯運行方案係統結構
對於需要進行各電機出力均衡主動控製的場合，如果電機數量較少（一般不超過6台），各電機距離較近（一般不超過50米），係統構成較簡單，可以采用多機主-從一拖一控製運行方案。此種方式支持N+1冗餘係統配置，即任意1台變頻器或者電機發生故障時，不破壞主-從cong控kong製zhi架jia構gou，在zai皮pi帶dai係xi統tong允yun許xu的de情qing況kuang下xia，可ke以yi依yi靠kao剩sheng餘yu的de變bian頻pin器qi和he電dian機ji繼ji續xu驅qu動dong皮pi帶dai運yun行xing。每mei台tai電dian機ji由you一yi台tai變bian頻pin器qi拖tuo動dong，運yun行xing在zai矢shi量liang控kong製zhi方fang式shi下xia。其qi中zhong一yi台tai變bian頻pin器qi作zuo為wei主zhu機ji，接jie收shou來lai自zi用yong戶hu上shang位wei控kong製zhi係xi統tong的de信xin號hao，負fu責ze皮pi帶dai係xi統tong的de速su度du控kong製zhi和he整zheng體ti邏luo輯ji控kong製zhi；qiyudebianpinqizuoweicongji，jieshoulaizizhubianpinqidezhuanjugeidingxinhaoheluojikongzhixinhao，bingxiangzhubianpinqibaogaozishendezhuangtai。youyugebianpinqizhixingxiangtongdezhuanjugeidingxinhao，yincigedianjideshuchuzhuanjuxiangtong。 該方案的特點是，係統配置簡單、可靠，能夠滿足N+1的電機配置要求，能夠完成主動的轉矩協調控製，使各電機出力相同。此係統架構如圖5所示：
圖5主從一拖一控製方案係統結構
對於需要進行各電機出力均衡主動控製的場合，如果電機數量較多，或者各電機距離較遠，係統構成較複雜，或者需要N+2以(yi)上(shang)的(de)冗(rong)餘(yu)配(pei)置(zhi)，可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)多(duo)機(ji)統(tong)一(yi)協(xie)調(tiao)控(kong)製(zhi)運(yun)行(xing)方(fang)案(an)。此(ci)種(zhong)方(fang)式(shi)下(xia)，每(mei)台(tai)電(dian)機(ji)由(you)一(yi)台(tai)變(bian)頻(pin)器(qi)拖(tuo)動(dong)，運(yun)行(xing)在(zai)矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)下(xia)。專(zhuan)設(she)一(yi)台(tai)協(xie)調(tiao)控(kong)製(zhi)櫃(gui)，協(xie)調(tiao)控(kong)製(zhi)櫃(gui)接(jie)收(shou)來(lai)自(zi)上(shang)位(wei)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)轉(zhuan)速(su)給(gei)定(ding)信(xin)號(hao)和(he)起(qi)停(ting)邏(luo)輯(ji)信(xin)號(hao)，以(yi)及(ji)來(lai)自(zi)現(xian)場(chang)的(de)轉(zhuan)速(su)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)，負(fu)責(ze)皮(pi)帶(dai)係(xi)統(tong)的(de)速(su)度(du)控(kong)製(zhi)和(he)整(zheng)體(ti)邏(luo)輯(ji)控(kong)製(zhi)。各(ge)變(bian)頻(pin)器(qi)均(jun)作(zuo)為(wei)從(cong)機(ji)，接(jie)收(shou)來(lai)自(zi)協(xie)調(tiao)控(kong)製(zhi)櫃(gui)的(de)轉(zhuan)矩(ju)給(gei)定(ding)信(xin)號(hao)和(he)邏(luo)輯(ji)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)，並(bing)向(xiang)協(xie)調(tiao)控(kong)製(zhi)櫃(gui)報(bao)告(gao)自(zi)身(shen)的(de)狀(zhuang)態(tai)。因(yin)為(wei)各(ge)變(bian)頻(pin)器(qi)執(zhi)行(xing)相(xiang)同(tong)的(de)轉(zhuan)矩(ju)給(gei)定(ding)信(xin)號(hao)，故(gu)各(ge)電(dian)機(ji)的(de)輸(shu)出(chu)轉(zhuan)矩(ju)相(xiang)同(tong)，由(you)於(yu)各(ge)變(bian)頻(pin)器(qi)地(di)位(wei)相(xiang)同(tong)，因(yin)此(ci)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)多(duo)機(ji)係(xi)統(tong)的(de)冗(rong)餘(yu)設(she)計(ji)。該(gai)方(fang)案(an)的(de)特(te)點(dian)是(shi)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)靈(ling)活(huo)，能(neng)夠(gou)滿(man)足(zu)用(yong)戶(hu)現(xian)場(chang)各(ge)種(zhong)實(shi)際(ji)需(xu)求(qiu)，能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)複(fu)雜(za)係(xi)統(tong)的(de)協(xie)調(tiao)控(kong)製(zhi)。此(ci)係(xi)統(tong)架(jia)構(gou)如(ru)圖(tu)6所示：
圖6協調櫃控製方案係統結構
五、 現場高壓變頻調速係統及采用的控製方案介紹
現場采用兩套北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-VA06/180係列矢量控製高壓變頻調速係統，額定電壓6kV，額定電流180A，額定功率1400kW。如圖7所示：
圖7高壓變頻器現場安裝情況
該係列高壓變頻調速係統，以高可靠性、易操作、高性能為設計目標，滿足用戶對於礦用負載調速節能、改善生產工藝的迫切需要；為了最大限度的縮短高壓變頻調速係統安裝和改造的施工周期，係統采用了一體化設計的理念，包括變壓器櫃、功率櫃、控製櫃等所有部件及內部連線，用戶隻須連接高壓輸入、高壓輸出、低(di)壓(ya)控(kong)製(zhi)電(dian)源(yuan)和(he)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)線(xian)即(ji)可(ke)。在(zai)先(xian)進(jin)的(de)生(sheng)產(chan)和(he)管(guan)理(li)環(huan)境(jing)中(zhong)，整(zheng)套(tao)係(xi)統(tong)在(zai)出(chu)廠(chang)前(qian)已(yi)進(jin)行(xing)整(zheng)體(ti)測(ce)試(shi)，確(que)保(bao)每(mei)一(yi)台(tai)出(chu)廠(chang)設(she)備(bei)的(de)質(zhi)量(liang)和(he)性(xing)能(neng)。
weileshiyonggaizaoxiangmudexuyaohejiangdixinjianxiangmudetouru，gaoyabianpintiaosuxitongzhongdemeiyigegongnengbujiankeyifenbujinxinganzhuang，quebaolegaoyabianpintiaosuxitongbuhuizaiyunshuheanzhuangguochengzhongchuxianyiwai，fangbiandeqianhouweihufangshi、靈活多樣的散熱方式、高性能的重要進口元器件、先進的生產工藝大大的降低了高壓變頻調速係統對現場環境的要求。
其主回路如圖8所示（圖中n代表級數）：
圖8係統原理圖
HARSVERT-VA係列高壓變頻調速係統本體由變壓器櫃、功率櫃及控製櫃組成。如圖9所示：
圖9高壓變頻調速係統示意圖
對於兩機驅動的皮帶機變頻控製，為了有效實現電機的負載平衡控製，高壓變頻調速係統適宜采用主-congfangshijinxingkongzhi。yitaibianpinqizuoweizhukong，fachushuchuzhuanjugeidingzhi，kongzhilingyitaigaoyabianpintiaosuxitongtongbuyunxing。gegaoyabianpintiaosuxitongjinduidianjidezhuanjujinxingkongzhi，congkongdianjidezhuansushibukekongliang，youwulixitongdeshijitexingjuedingyunxingliangtaidianjidesudupipei。rutu10所示，主控高壓變頻調速係統控製1#電機的轉速，並給出兩台電機的輸出轉矩給定值，從控高壓變頻調速係統根據收到的電機輸出轉矩給定值控製2#電機的輸出轉矩。
圖10主-從控製結構負載平衡控製示意圖
變頻器采用無速度傳感器矢量控製技術，對電機轉速的精度控製在0.5％以內，如果需要電機需要更高的控製精度，可以采用速度傳感器，控製精度在0.1％以內。
主控高壓變頻調速係統和從控高壓變頻調速係統均有外部信號連鎖控製和狀態、報警邏輯信號輸出，主控高壓變頻調速係統接收本地或者遠程的“啟動”、“停機”和“緊急停機”指令，以及來自從控高壓變頻調速係統的“緊急停機”指令，從控高壓變頻調速係統接收來自主控高壓變頻調速係統的“啟動”和“緊急停機”指令，同時接收從控高壓變頻調速係統本地或者遠程聯動的“緊急停機”指令。
在兩台高壓變頻調速係統的PLC邏輯程序中進行邏輯互鎖，使得兩台高壓變頻調速係統同時啟動，同時停機。如圖11所示：
圖11主-從一拖一控製反饋信號示意圖
六、總結
皮pi帶dai機ji的de驅qu動dong係xi統tong采cai用yong北bei京jing利li德de華hua福fu電dian氣qi技ji術shu有you限xian公gong司si生sheng產chan的de全quan數shu字zi交jiao流liu高gao壓ya變bian頻pin器qi，不bu但dan提ti高gao了le生sheng產chan效xiao率lv和he係xi統tong的de綜zong合he可ke靠kao性xing，降jiang低di了le能neng耗hao，而er且qie達da到dao了le現xian場chang安an裝zhuang方fang便bian、運行性能安全良好的效果。實踐證明，利用技術先進、chengshuanquandegaoyabianpintiaosuxitongkeyiquanmianshixiangaoxiaotiaojiexianchanggongkuang，tigaoxitongzidonghuachengdu，jieyuediannengdemude。shiyonggaoyabianpinqikeyidadajiangdixianchangweihuliang，dailaikeguandexiaoyi，qieshixiangyingguojiajienengjianghaodehaozhao，zhidedalituiguang。
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