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    一、概述

    煤礦工業(yè)作為產(chǎn)能大戶，隨著行業(yè)的系統(tǒng)化和規(guī)?；?，近幾年已經(jīng)成為國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)之一。但由于設(shè)備陳舊，自動(dòng)化程度低，我國(guó)煤礦開(kāi)采僅在2005年即耗能5086.81×10△t標(biāo)準(zhǔn)煤,耗電376.04×108kW·h,分別占全國(guó)總耗能量和總耗電量的3.86%和3.49%。所以，煤炭工業(yè)既是產(chǎn)能大戶,又是耗能大戶，同時(shí)也是節(jié)能潛力大戶。目前我國(guó)煤礦行業(yè)存在電機(jī)啟動(dòng)困難、機(jī)械損傷嚴(yán)重以及自動(dòng)化程度低等問(wèn)題都迫切需要利用變頻技術(shù)進(jìn)行節(jié)能降耗改造。據(jù)統(tǒng)計(jì)，按節(jié)電率30%計(jì)，采用變頻調(diào)速技術(shù)年節(jié)電潛力至少為10×108～15×108kW·h。所以，利用變頻技術(shù)對(duì)現(xiàn)有電機(jī)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造，是解決我國(guó)煤炭工業(yè)高消耗、低效益的主要措施。

    刮板輸送機(jī)是一種重要的礦山運(yùn)輸機(jī)械。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性高、節(jié)能高效、輸送距離長(zhǎng)、密封性能好且維修方便，在冶金、建材、化工、火電、礦山等行業(yè)里廣泛使用。

    二、刮板輸送機(jī)介紹

    2.1 刮板輸送機(jī)

    利用固接在牽引鏈上的刮板在敞開(kāi)的料槽中刮運(yùn)散狀物料的輸送機(jī)。它由敞開(kāi)料槽、牽引鏈、刮板、頭部驅(qū)動(dòng)鏈輪和尾部張緊鏈輪等組成。

                      圖1：刮板機(jī)實(shí)物圖

    2.2 刮板輸送機(jī)的分類

     刮板輸送機(jī)適用于煤層傾角不超過(guò)25度的采煤工作面，但對(duì)于兼作采煤機(jī)軌道與機(jī)組配合工作的刮板輸送機(jī)，適用的煤層角度一般不超過(guò)10度。煤層傾角大時(shí)，要采用防滑措施。此外，在采煤工作面下順槽和聯(lián)絡(luò)眼都可以使用刮板輸送機(jī)運(yùn)送煤炭。目前，采煤工作面多使用可彎曲刮板輸送機(jī)，以適應(yīng)自動(dòng)化、綜合機(jī)械化采煤的需要，與相應(yīng)的采煤機(jī)、金屬支架或自移式液壓支架配套使用。

    刮板輸送機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率從7.5KW～2000KW輸送能力從30t/h～6000t/h之間，常用的分類方式有以下幾種：

    （1）按牽引的條數(shù)和布置方式，可分為單中鏈、邊雙聯(lián)和中雙鏈及三鏈型刮板輸送機(jī)。

    （2）按溜槽的布置方式，可分為重疊式和并列式溜槽刮板輸送機(jī)。

    （3）按溜槽的結(jié)構(gòu)，可分為開(kāi)底式和封底式溜槽刮板輸送機(jī)。

    （4）按卸載方式，可分為端卸式和側(cè)卸式刮板輸送機(jī)。

    （5）按功率大小，可分為輕型（單電動(dòng)機(jī)額定功率輕型(P≤40kW)、中型(40kW＜P ≤90kW)、重型(P＞90kW) 。

    2.3 刮板輸送機(jī)的組成

    刮板輸送機(jī)是一種有撓性牽引機(jī)構(gòu)的連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械。溜槽是煤炭的承載機(jī)構(gòu)，其牽引推運(yùn)機(jī)構(gòu)是繞過(guò)機(jī)頭鏈輪和機(jī)尾鏈輪（或滾筒）而進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng)的無(wú)極閉合的刮板鏈。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，經(jīng)液力聯(lián)軸器、減速器傳動(dòng)鏈輪而驅(qū)動(dòng)刮板鏈連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，將裝在溜槽中的煤炭推運(yùn)到機(jī)頭處卸載轉(zhuǎn)運(yùn)。各種類型的刮板輸送機(jī)的組成部件的型式和布置方式不完全相同，但主要結(jié)構(gòu)和基本組成部件是相同的。刮板輸送機(jī)一般是由機(jī)頭部；機(jī)身部和機(jī)尾部三部分組成。

    刮板輸送機(jī)的組成部件：

    1）機(jī)頭部：由機(jī)頭架和安裝其上的鏈輪組件、聯(lián)軸器、減速箱和電動(dòng)機(jī)組成。

    2）機(jī)尾部：機(jī)尾架、鏈輪組件、聯(lián)軸器、減速箱、電動(dòng)機(jī)。

    3）機(jī)身部：中部槽、刮板鏈、鏟煤板、擋煤板。

    4）輔助裝置：主要包括緊鏈裝置、推移裝置、和錨固定裝置。

    三、變頻改造

    3.1 項(xiàng)目信息

    陜西某國(guó)營(yíng)大型煤礦現(xiàn)場(chǎng)，刮板輸送機(jī)的功率為1250kW，全天24小時(shí)不間歇運(yùn)行。每臺(tái)刮板輸送機(jī)用兩臺(tái)同等功率、同等電壓的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這兩臺(tái)電機(jī)電壓均為3.3kV，單臺(tái)功率覆蓋范圍是160kW～1250kW；生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)要求同步啟動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，啟動(dòng)時(shí)間要求1～2分鐘。

    現(xiàn)需要兩臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載刮板輸送機(jī)。

    3.2改造方案

                               圖2：改造一次圖

    1）主回路：采用一拖一方案。此方案中，兩臺(tái)CM3000高壓三電平變頻分別驅(qū)動(dòng)刮板機(jī)機(jī)頭部和機(jī)尾部的電機(jī)。

    2）控制回路：遠(yuǎn)程監(jiān)控方案，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控兩臺(tái)CM3000高壓三電平變頻的運(yùn)行情況；可以同時(shí)進(jìn)行速度控制，啟停控制以及參數(shù)修改等。

    3）主從控制：是由完全獨(dú)立的兩臺(tái)變頻器通過(guò)主、從機(jī)的同步CAN總線通訊方式保證雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速一致，功率平衡。兩臺(tái)電機(jī)中任意一臺(tái)都可作為主機(jī)，另一臺(tái)為從機(jī)。變頻器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩都能獨(dú)立控制，主從變頻器通訊采用CAN總線通訊，抗干擾能力強(qiáng)，通訊速率高。變頻器采用主從控制方案，主機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制，從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制。主機(jī)通過(guò)CAN通訊實(shí)時(shí)采集從機(jī)電流信號(hào)、電壓信號(hào)、頻率信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整給從機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，使主機(jī)和從機(jī)的功率達(dá)到完美的平衡。

    4）水冷方案：去離子水通過(guò)水-水熱交換方式與外部冷去水實(shí)現(xiàn)熱交換，外部冷卻水通過(guò)水泵驅(qū)動(dòng)經(jīng)水-風(fēng)換熱器或冷卻塔實(shí)現(xiàn)熱交換，最終將CM3000高壓三電平變頻殼體內(nèi)部熱量傳遞到外部環(huán)境中。內(nèi)部去離子冷卻水設(shè)有溫度、壓力、離子濃度與去離子水量保護(hù)功能。外部冷卻水設(shè)有溫度、壓力與液位保護(hù)功能。

                        圖3：水冷系統(tǒng)外圍設(shè)備圖

    3.3運(yùn)行性能

    （1）CAN通訊

     主機(jī)的CAN2+、CAN2-對(duì)應(yīng)連接從機(jī)的CAN2+、CAN2-。下圖為CM3000高壓三電平變頻運(yùn)行時(shí)CAN通訊的波形。

                               圖4：CAN通訊實(shí)時(shí)波形圖

    （2）實(shí)際的電流波形

    測(cè)試相關(guān)波形的條件是主機(jī)用電流鉗，從機(jī)用普通探頭測(cè)的主板的IU測(cè)試點(diǎn)。剛開(kāi)始調(diào)試時(shí)波形，其中CH1黃色—主機(jī)電流，CH2綠色—從機(jī)磁鏈反饋，CH3紫色—從機(jī)辨識(shí)速度，CH4紅色—主機(jī)電流；

     a）CM3000高壓三電平變頻啟動(dòng)波形。

                               圖5：實(shí)時(shí)電流圖

    b）CM3000高壓三電平變頻停機(jī)時(shí)的波形。

                                圖6：停機(jī)時(shí)波形圖

    3．CM3000高壓三電平變頻帶載時(shí)運(yùn)行波形。

                                圖7：運(yùn)行波形圖

    四、CM3000高壓三電平變頻的優(yōu)勢(shì)

    4.1 磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)

                                 圖8：磁鏈閉環(huán)

    ◆原理及特點(diǎn)：基于電機(jī)d - q軸系數(shù)學(xué)方程，對(duì)電機(jī)的磁鏈、電流進(jìn)行解耦控制，具有磁鏈、

    電壓閉環(huán)特點(diǎn)。

   ◆優(yōu)勢(shì)：控制精度高，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，低頻特性好。

   ◆效果：刮板機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，抱閘磨損小，沖擊小。

    4.2 三電平技術(shù)

                                 圖9：三電平拓?fù)鋱D

    ◆原理：利用二極管中性點(diǎn)箝位的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得每相輸出具有三個(gè)電平。

    ◆優(yōu)勢(shì)：輸出波形效果好，功率密度高，體積小。

    ◆效果：產(chǎn)品緊湊，諧波小，對(duì)外圍設(shè)備無(wú)干擾。

    4.3 先進(jìn)的中點(diǎn)電位平衡控制技術(shù)

                                圖10：中點(diǎn)控制比較

    ◆原理：通過(guò)檢測(cè)直流母線及中點(diǎn)的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證中點(diǎn)電位平衡。

    ◆優(yōu)勢(shì)：控制精度好，響應(yīng)速度快。

    ◆效果：將中點(diǎn)電位波動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)。

    4.4 多電機(jī)同步技術(shù)

                                圖11： 電流波形圖

    ◆技術(shù)特點(diǎn)：采用主從+下垂電機(jī)同步控制技術(shù)，確保多臺(tái)電機(jī)負(fù)荷均衡分配。

    ◆優(yōu)勢(shì)：負(fù)荷均衡分配。

    ◆效果：對(duì)于多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可防止因電機(jī)負(fù)荷分配不均而造成電機(jī)損壞。

    4.5 先進(jìn)的控制硬件平臺(tái)

    ◆技術(shù)特點(diǎn)：匯川技術(shù)CM3000高壓三電平變頻以高速浮點(diǎn)DSP為控制核心，采用高速

DSP+RAM+FPGA作為核心處理器，其諧波指標(biāo)遠(yuǎn)小于IEE519-1992的諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器。

    ◆優(yōu)勢(shì)：(1)運(yùn)算速度更快，控制更精準(zhǔn)。(2)飛車(chē)啟動(dòng)功能。能夠識(shí)別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接啟動(dòng)。(3)具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會(huì)導(dǎo)致重大事故。CM3000高壓三電平變頻在發(fā)生類似問(wèn)題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。(4) 來(lái)電自啟動(dòng)及低電壓穿越功能，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)電壓瞬間跌落或波動(dòng)時(shí)、系統(tǒng)可保證瞬間失電不跳閘，且在失電后5個(gè)周期內(nèi)變頻器運(yùn)行不受影響，超過(guò)5個(gè)周期變頻器自動(dòng)降額運(yùn)行。該特點(diǎn)保證設(shè)備在電網(wǎng)波動(dòng)的情況下，最大限度實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，從而提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

    ◆效果：不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以拖動(dòng)普通的異步電機(jī)。

    4.6長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)

    ◆采用薄膜電容設(shè)計(jì)的產(chǎn)品：薄膜電容的壽命是電解電容壽命的10倍；采用MTBF設(shè)計(jì)理念，整機(jī)壽命長(zhǎng)；高容量及高電壓等級(jí)確保最少的使用數(shù)量，故障率低，體積小 。

    ◆其他廠家現(xiàn)狀：電解電容。

    ◆優(yōu)勢(shì)：壽命長(zhǎng)，可靠性好，易維護(hù)。

    4.7易于維護(hù)

    ◆采用模塊化設(shè)計(jì)理念：產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)部分采用相同的橋臂模塊設(shè)計(jì)，便于備件更換；系統(tǒng)拆裝簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)可維護(hù)。

    ◆其他廠家現(xiàn)狀：產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)。

    ◆優(yōu)勢(shì)：現(xiàn)場(chǎng)容易維護(hù)。

    4.8 水冷設(shè)計(jì)

    ◆系統(tǒng)采用水冷設(shè)計(jì)方案：開(kāi)放式水冷結(jié)構(gòu)； 可以采用普通水內(nèi)循環(huán)或者普通水外循環(huán)兩種方案，多種防止結(jié)露設(shè)計(jì)。

    ◆其他廠家現(xiàn)狀：熱管方案。

    ◆優(yōu)勢(shì)：熱設(shè)計(jì)余量大，可靠性高。

    五、結(jié)束語(yǔ)

    CM3000高壓三電平變頻系列產(chǎn)品為蘇州匯川技術(shù)有限公司自主研發(fā)的成熟產(chǎn)品，此次陜西某煤礦現(xiàn)場(chǎng)的良好運(yùn)行，也有力證明了我公司的磁鏈閉環(huán)控制技術(shù)、中性點(diǎn)鉗位三電平技術(shù)較同類廠家的控制方式更先進(jìn)。投運(yùn)一年多以來(lái)，高效率零故障，兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩均分等良好的性能，已經(jīng)贏得了用戶的口碑。

    蘇州匯川技術(shù)有限公司專注于工業(yè)自動(dòng)化控制產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售，定位服務(wù)于中高端設(shè)備制造商，以擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)為基礎(chǔ)，以快速為客戶提供個(gè)性化的解決方案為主要經(jīng)營(yíng)模式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)價(jià)值與客戶價(jià)值共同成長(zhǎng)。匯川在全國(guó)擁有66個(gè)辦事處，236家授權(quán)代理商，90家全國(guó)聯(lián)保中心。