變頻器在煤礦下行皮帶上的應用

一、引言
隨著自動控制技術的飛速發展，四象限變頻器廣泛應用於起重、油田、煤礦等領域，為此公司為了滿足煤礦特有的1140V電壓等級而開發研製了1140V四象 限防爆矢量變頻器。四象限變頻器在煤礦主要用於下行皮帶運輸機、提昇機以及絞車的調速，除了具有卓越的調速性能之外，四象限變頻器還有非常明顯的節能效 果，是煤炭企業技術改造升級和產品更新換代的理想調速裝置。
本文主要介紹英威騰CHA100-400G-12防爆型四象限變頻器在神華集團寧夏寧魯煤電公司任家莊煤礦下行皮帶運輸機上的成功應用。
二、皮帶運輸系統簡介

1、帶運輸控制系統由防爆變頻器、液壓抱閘系統、集控系統、皮帶機、減速箱等組成，整個系統的組成如下圖所示：

現場下運皮帶帶長200m、帶寬1.2m，設計帶速4m/s 。

2、系統負載特點 皮帶機的工作原理是皮帶機通過驅動輪轂，靠摩擦牽引皮帶運動，皮帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。皮帶是彈性儲能材料，在皮帶機運行和停止時都儲藏著大量的勢能，這就決定了皮帶機在啟動和停車時應該採用軟啟動和軟停車的方式。 下行皮帶運輸機運行機構屬於恆轉矩負載，當變頻器在啟動和加速運行時，電機輸出轉矩作用於皮帶驅動輪轂上，電機處於電動狀態，當皮帶上煤後，煤的重量沿皮 帶傳輸方向上的分力也作用於皮帶驅動輪轂上，並使驅動力矩逐漸增大，當此力矩大於電機的驅動力矩時，此時皮帶驅動輪轂拖動電機轉動，電機出於再生髮電狀 態，需要將再生電能通過反饋裝置反送給電網或者消耗在製動電阻上，以防止母線電壓過衝，變頻器過壓。
      負載設備參數表

三、控制要求 
1、皮帶在啟動和停車時要實現軟啟動、軟停車。
2、啟動轉矩要大，尤其是在重載情況下要平穩啟動。
3、變頻器要與集控系統、液壓抱閘系統配合好，實現遠程控制和液壓抱閘及時的開抱閘。 四、系統的構成及控制原理
1、系統構成
      (1)、變頻器選擇 由於下行皮帶在運行時有再生能量產生，電機功率較大，對系統的控制要求也較高，所以選擇高端的可以實現能量雙向流動的INVT-CHA100-400G-12四象限運行矢量變頻器，CHA100系列四象限變頻器既有以下技術特點：       a、輸入輸出特性
      ◆輸入電壓範圍：1140V±15%
      ◆輸入頻率範圍：47～63Hz
      ◆額定輸入效率：97%以上 ◆額定輸入功率因數：95%以上
      b、控制性能特性 ◆控制方式：無PG矢量控制、有PG矢量控制、V/F控制 ◆過載能力：150%額定電流60s；180%額定電流10s◆啟動轉矩：無PG矢量控制：0.5Hz/150% (SVC)；有PG矢量控制：0Hz/180%
      c、功能特性 ◆優異的主從控制邏輯，分別支持速度控制和轉矩控制的主從方式 ◆頻率設定方式：數字設定、模擬量設定、485串行通訊設定、多段速設定、模擬量跟踪運行、Profibus通訊給定、高速脈衝HDI 給定等 ◆運行方式：檢修運行、應急運行、強迫減速運行 ◆運行曲線：直線運行、S曲線運行       ◆起動預轉矩補償
      ◆啟動、停機直流制動 ◆自動電壓調整功能：當電網電壓變化時，能自動保持輸出電壓恆定 ◆提供多達30種系統故障保護功能：過流、過壓、欠壓、過溫、缺相、過載等保護功能。 根據現場負載的特點及要求，並結合我公司變頻器的特點，我們配置如下的變頻器，其主要參數如下：
      變頻器參數表

 變頻器的系統原理圖

 2、系統控制原理
      (1)系統控制原理說明 變頻器的故障輸出、變頻器停車信號、抱閘開閘反饋、皮帶保護系統信號等為集控系統的輸入信號； 抱閘系統的開閘信號，變頻器整流運行信號、逆變運行信號為集控系統的輸出信號。
      (2)系統控制接線圖如下：

 系統控制邏輯圖

 (4)

 

五、調試注意事項 
  1、整流器電壓環PI參數調節
當變頻器在現場安裝後，由於現場電源側變壓器的電感等原因，變頻器的PWM整流可能會出現以下情況：
(1)整流器運行輸出過電壓(OV)，當出現過電壓時適當降低電壓環比例係數和積分係數，增大比例係數KP可加快電壓的動態響應，但KP過大容易產生振 盪。增大積分係數KI可加快電壓的動態響應，但KI過大會導致電壓超調且容易產生振盪。通常先調節比例係數KP，在保證系統不振蕩的前提下盡量增大KP 值，然後調節積分係數KI，使系統既有快速的動態響應又超調不大。
(2)整流器運行輸出電壓波動大，此時適當降低電壓環動態比例係數和動態積分係數。
(3)整流器運行過電流（OC），此時可適當調低電流環比例係數和積分係數。通過對電流環的調節改變有功電流分量和無功電流分量的動態響應。增大比例係數 KP可加快電流環的動態響應，但KP過大容易產生振盪。增大積分係數KI可加快電流的動態相應，但KI過大電流超調且容易產生振盪。通常先調節比例係數 KP，在保證電流不振蕩的前提下盡量增大KP值，然後調節積分係數KI，使系統既有快速的動態響應又超調不大。
2、抱閘與松閘的控制，抱閘系統的開閘信號由集控系統給出，開閘後反饋信號給集控系統，變頻器起車；停車時集控系統給出停車信號變頻器減速，當變頻器到0Hz是繼電器輸出信號，抱閘系統抱閘。
3、整流與逆變的起、停車順序，啟動時集控系統先給整流器起車信號，整流起車後延時5s給出逆變起車信號，逆變起車；停車時，逆變減速到0Hz，運行繼電器輸出信號停止後整流停車。

 六、變頻器參數設定 

系統四象限運行分析
電機正轉，電機的輸出轉矩通過減速機轉換後作用在皮帶機的驅動輪轂上，並與上層皮帶自重沿傳輸面重力分量作用在皮帶機驅動輪轂上的  力矩組合，電機工作在第一象限。當皮帶上煤後，煤的重量沿皮帶傳輸方向的分力也作用在驅動輪轂上，並使驅動力矩逐漸增大，當驅動力矩超過摩擦力力矩後，驅 動輪轂的轉速將加速轉動，通過機械連接使得電機轉子也加速轉動，其速度超過電機的同步轉速；此時電機處於反轉再生狀態，電機工作在第二象限。當電機反轉 時，則工作在第二、四象限。 電機運行在第一、三象限時為電動態，其定子中的旋轉磁場、電機的輸出電磁轉矩與轉子的轉向同向，電機輸出的電磁轉矩是轉子的驅動力矩，此時電機從電網吸收 的電能大部分有電磁轉矩作用到轉子上以機械能形式輸出。當電機運行在第二、四象限時為再生態，由於轉子切割磁力線的方向發生了改變，故電機作用到轉子上的 帶電磁轉矩方向也發生改變，成為轉子的製動阻力力矩；此時電機轉子被負載的合成力矩拖著以超過同步轉速的速度轉動，負載作用在皮帶機的驅動輪轂上的機械能 有電機反饋回電網。變頻器驅動三相異步電機工作在四個像限的示意圖如下：

七、結束語
經過變頻技術改造後皮帶機系統運行良好，並有以下優點：
1、優越的軟啟動、軟停車特性。防爆變頻器的啟動、停止時間是任意可調的（1-60min），同時為了平穩起動，還可匹配其具備的S型加減速時間，這樣可將皮帶機起停時產生的衝擊減小至最小，這是其他驅動器難以達到的。
      2、驗帶功能。煤礦的生產運輸系統多以皮帶機為主，運輸系統檢修維護，低速驗帶功能是皮帶機檢修的主要要求，變頻調速系統為無極調速的交流傳動系統，在空載驗帶狀態下，變頻器可調整電機工作5%-100%額定帶速範圍內任意帶速。
      3、穩的重載起動。皮帶機在運煤過程中任意一刻都可能立即停車再重新起動，必須考慮“重載起動”能力。由於變頻器採用無速度傳感器矢量控制方式，低頻運轉最大可輸出1.5倍額定轉矩，因此最適於“重載起動”。
      4、動調速、節電效果明顯。對應於煤礦的特殊生產條件，有時，煤的產量是極不均勻的，當然皮帶機系統的運煤量也是不均勻的，在負載輕或無負載時，皮 帶機系統的高速運行對機械傳動系統的磨損浪費較為嚴重，同時電能消耗比低速運行時大的多，但因生產的需要皮帶機系統又不能隨時停車，採用單獨的控制系統對 前級運輸系統的載荷、本機運輸系統的載荷進行分別測量，這樣可控制變頻器降速或提前升速。對於載荷不均的皮帶機系統，可大大節約電能。
      5、低膠帶張力。由於採用防爆變頻器所產生的良好起動特性，至少可降低起動張力30%，如在初期設計選擇膠帶強度時可降低一個標號。在實際應用過程中，由於降低了起動衝擊，皮帶機機械系統的設備損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒的壽命成幾倍的延長。
事實證明英威騰中壓四象限變頻器有著無法比擬的優越的產品性能和領先的技術優勢，在煤炭行業的節能改造應用中能夠創造巨大的經濟效益和良好的社會效益，對於創建節能環保型的社會發揮著重要的作用。