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　　引言

　　國內(nèi)現(xiàn)有大多數(shù)煤礦的大功率膠帶輸送機(jī)一般都采用工頻拖動(dòng)，較少使用變頻器驅(qū)動(dòng)。由于電機(jī)長期工頻運(yùn)行加之液力耦合器效率低，即使在液力耦合調(diào)速情況下，由于膠帶彈性伸縮性勢能的影響和液力耦合的調(diào)速精度，也很難做到前后兩臺高壓電機(jī)的同步，由于電機(jī)無法采用軟起、軟停，膠帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在機(jī)械間產(chǎn)生劇烈沖擊，加速機(jī)械的磨損，甚至造成膠帶坼裂等現(xiàn)象，膠帶機(jī)的磨損、液力耦合器的維護(hù)頻度增大等問題更是給企業(yè)帶來較大數(shù)額的維護(hù)費(fèi)用問題。這對于現(xiàn)在創(chuàng)建節(jié)能、節(jié)支的社會(huì)環(huán)境是不相符合的。對煤礦企業(yè)的膠帶輸送機(jī)進(jìn)行變頻改造，為社會(huì)節(jié)約能源、為企業(yè)增加效益都具有非常現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

　　1.概況

　　某露天煤礦新出入溝帶式輸送機(jī)依啟動(dòng)順序由M303、M304、M305組成，長度分別是300米、100米、780米，來料點(diǎn)有三個(gè)，均落于M305上，三條輸送機(jī)均使用變頻器啟動(dòng)、停機(jī)，M305電機(jī)功率為2*710KW。

　　2.膠帶機(jī)的工作原理和特點(diǎn)

　　膠帶機(jī)通過驅(qū)動(dòng)輪鼓，靠摩擦牽引膠帶運(yùn)動(dòng)，膠帶通過張力變形和摩擦力帶動(dòng)物體在支撐輥輪上運(yùn)動(dòng)。膠帶是彈性儲(chǔ)能材料，在膠帶機(jī)停止和運(yùn)行時(shí)都儲(chǔ)存有大量勢能，這就決定了膠帶機(jī)的啟動(dòng)時(shí)應(yīng)該采用軟啟動(dòng)的方式。國內(nèi)大多數(shù)煤礦采用液力耦合器來實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)的軟啟動(dòng)，在啟動(dòng)時(shí)調(diào)整液力耦合器的機(jī)械效率為零，使電機(jī)空載啟動(dòng)。

　　采用液力耦合器軟起膠帶機(jī)時(shí)，由于調(diào)速范圍窄，低速時(shí)啟動(dòng)時(shí)間短、加載力大，同時(shí)前后雙機(jī)驅(qū)動(dòng)同一膠帶工作時(shí)難以真正解決負(fù)載功率和膠帶彈性勢能功率的分配和同步問題，容易引起皮帶斷裂和老化，要求皮帶的強(qiáng)度高。加之液力耦合器長時(shí)間工作會(huì)引起其內(nèi)部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率降低等情況發(fā)生，不僅會(huì)加大維護(hù)難度和成本，還污染了環(huán)境。

　　3.負(fù)載參數(shù)及高壓變頻器型號

　　根據(jù)現(xiàn)場負(fù)載性質(zhì)和現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，高壓變頻器型號配置稍大一些選取，選擇6KV-950KVA高壓變頻器拖動(dòng)，電壓源型，多功率模塊串聯(lián)，交直交、高高方式。

　　一臺電機(jī)配一臺高壓變頻器，接入6KV主動(dòng)力電源系統(tǒng)中，變頻器的運(yùn)行方式由中央控制室系統(tǒng)集中控制。

　　配套電機(jī)參數(shù)：

　　電動(dòng)機(jī)名稱：YPT-500

　　額定功率(KW)：710

　　額定電流(A)：83

　　額定電壓(KV)：6

　　額定轉(zhuǎn)速(r/min)：1495

　　功率因數(shù)：0.84

　　臺數(shù)：2

　　4.高壓變頻器主回路示意圖

 圖1 主回路示意圖

　　注意：a. QS1、QS2為主機(jī)開關(guān)柜高壓隔離開關(guān)，控制M1電機(jī)運(yùn)行; QS3、QS4為從機(jī)開關(guān)柜高壓隔離開關(guān)控制M2電機(jī)運(yùn)行。

　　b. QS為單刀隔離開關(guān)。

　　5.控制系統(tǒng)方框圖

圖2 控制系統(tǒng)方框圖

　　雙電機(jī)同步運(yùn)行過程：

　　由中控室系統(tǒng)操作員通過DCS與雙機(jī)同步變頻器主機(jī)PLC通訊，傳送轉(zhuǎn)速運(yùn)行需要的給定頻率、啟動(dòng)、停止等信息操作主機(jī);雙機(jī)同步主機(jī)接收到信息后，實(shí)時(shí)對從機(jī)發(fā)出相應(yīng)的給定頻率或控制信號，從機(jī)反饋信息，并響應(yīng)和執(zhí)行主機(jī)的命令;

　　膠帶輸送機(jī)前后主、從電機(jī)在運(yùn)行過程中隨時(shí)會(huì)受到膠帶本身張力的影響，這時(shí)候系統(tǒng)就出現(xiàn)工況引起的功率不對稱分配，某臺電機(jī)出力嚴(yán)重超過電動(dòng)機(jī)的額定功率，而另一臺電機(jī)則會(huì)過度輕載運(yùn)行。主、從電機(jī)非同步運(yùn)行很造成的膠帶坼裂。況且長期運(yùn)行后，超載運(yùn)行的電機(jī)也會(huì)出現(xiàn)過熱、過載保護(hù)、過流現(xiàn)象或停機(jī)等事故發(fā)生。為避免功率分配的不對稱出現(xiàn)，安邦信高壓變頻器可將非同步狀態(tài)下輸出功率較大電機(jī)的超載功率部分(超過自身額定功率的那部分功率)即時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到輕載電機(jī)上，實(shí)時(shí)保持前后主、從電機(jī)功率均衡對稱分配，動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)整，依此實(shí)現(xiàn)主機(jī)變頻器和從機(jī)變頻器的同步運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到膠帶輸送機(jī)機(jī)首、尾雙電動(dòng)機(jī)的同步運(yùn)行。

　　主、從機(jī)之間可以對重故障、輕故障、輸出頻率等狀態(tài)實(shí)時(shí)處理，協(xié)調(diào)一致，實(shí)現(xiàn)主、從電動(dòng)機(jī)之間的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，主、從機(jī)變頻器也可以通過用戶接口實(shí)時(shí)將各運(yùn)行狀態(tài)信息、故障信息等傳送到中控室。

　　當(dāng)變頻器運(yùn)行過程中，主機(jī)功率模塊出現(xiàn)輕故障時(shí)，主、從機(jī)變頻器之間相互通訊，主機(jī)變頻器對發(fā)生故障的功率模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動(dòng)處理，旁路后降低適當(dāng)轉(zhuǎn)速仍舊運(yùn)行，同時(shí)主機(jī)實(shí)時(shí)對從機(jī)變頻器發(fā)出通訊指令，要求從機(jī)變頻器按照主機(jī)變頻器的當(dāng)前運(yùn)行轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從機(jī)變頻器即時(shí)響應(yīng)主機(jī)變頻器的發(fā)出的指令，自動(dòng)將當(dāng)前的輸出頻率調(diào)整到和主機(jī)變頻器輸出轉(zhuǎn)速一致的狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)了主、從電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速同步的效果。

　　同樣，在從機(jī)變頻器出現(xiàn)輕故障，自動(dòng)旁路、降低適當(dāng)轉(zhuǎn)速后運(yùn)行，從機(jī)變頻器即時(shí)對主機(jī)變頻器發(fā)出輕故障通訊信息，主機(jī)變頻器根據(jù)從機(jī)變頻器發(fā)出的信息，即時(shí)分析、處理，然后按照從機(jī)的發(fā)出的信息請求，自動(dòng)調(diào)整當(dāng)前的輸出轉(zhuǎn)速，使其保持與從機(jī)變頻器運(yùn)行速度實(shí)時(shí)保持一致。

　　綜上述，雙機(jī)通訊處理系統(tǒng)對主、從變頻器系統(tǒng)協(xié)調(diào)和控制，相互通訊、互傳信息。DCS系統(tǒng)把運(yùn)行頻率發(fā)送到通訊系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)將給定轉(zhuǎn)速傳送主機(jī)，再由主機(jī)通訊傳送到從機(jī)。當(dāng)主機(jī)有輕故障時(shí)從機(jī)會(huì)跟隨主機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)采取相應(yīng)處理措施，同樣當(dāng)從機(jī)有輕故障時(shí)主機(jī)也會(huì)實(shí)時(shí)跟隨主機(jī)采取響應(yīng)處理措施，同時(shí)借助于雙電動(dòng)機(jī)功率檢測處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整主、從電機(jī)同步運(yùn)行，真正實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)轉(zhuǎn)速的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　6.高壓變頻器的系統(tǒng)控制和原理

　　高壓變頻系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程集中控制室系統(tǒng)控制及就地手動(dòng)控制功能，主變頻器的頻率控制和運(yùn)行指令是由集控系統(tǒng)發(fā)出給定的，主機(jī)接受來自于集控系統(tǒng)的指令后，即時(shí)對從機(jī)發(fā)出相關(guān)控制及運(yùn)行指令，要求從機(jī)服從和執(zhí)行于主機(jī)的發(fā)出的各種指令，同步于主機(jī)工作。最終M305輸送機(jī)執(zhí) 行了集中控制室系統(tǒng)發(fā)出的所有給定命令進(jìn)行工作。雙高壓變頻器根據(jù)集中控制室的指令拖動(dòng)電機(jī) 啟動(dòng)、增速、減速、及停止。主、從變頻器系統(tǒng)均有各自的負(fù)載動(dòng)態(tài)功率信號采集，系統(tǒng)將采集到 的各系統(tǒng)功率信息即時(shí)處理，主、從閉環(huán)分配，從而做到膠帶張力恒定、穩(wěn)速運(yùn)行，保證膠帶機(jī)可靠運(yùn)行。安邦信低頻大轉(zhuǎn)矩型雙電機(jī)同步運(yùn)行高壓變頻器可以保證電機(jī)在低速啟動(dòng)時(shí)平穩(wěn)啟動(dòng)、穩(wěn)定加速運(yùn)行。高壓變頻器系統(tǒng)組成一般為：旁路柜、變壓器柜、功率柜、控制柜四部分組成。旁路柜也是開關(guān)柜，里面由高壓隔離開關(guān)、PT、CT等開關(guān)或檢測元器件組成;變壓器柜主要由移相整流變壓 器組成;功率柜由功率單元組成，為電機(jī)提供電源的逆變輸出環(huán)節(jié)的主要組成部分;控制柜是由整個(gè)變頻系統(tǒng)的電氣控制、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)采樣與處理、中央集控系統(tǒng)的控制指令接口等部分組成。 同時(shí)控制電源系統(tǒng)三級備用、自動(dòng)投切功能，保證控制系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠、高穩(wěn)定性。

　　6.1輸入變壓器

　　AMB-HVI系列高壓變頻器的輸入側(cè)變壓器采用移相整流變壓器，其電氣原理圖如圖3所示。變壓器原邊繞組為6KV，副邊共十八個(gè)繞組分為三相。每相有6個(gè)次級繞組，按照一定移相角度依次繞制而成，然后將各次級繞組連接到各功率單元上，這種逐次移相式接法可以有效地減小各齊次諧波含量，此外，采用移相變壓器進(jìn)行隔離輸出，使得輸入側(cè)諧波控制在4%以內(nèi)，完全低于國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)對電網(wǎng)造成干擾。

圖3 移相整流變壓器電氣原理圖　　

 圖4移相式變頻系統(tǒng)主電路拓?fù)鋱D

　　6.2功率單元

　　AMB-HVI系列高壓變頻器每相由六個(gè)功率單元串聯(lián)而成，各位置的功率單元間具有完全的互換性。每個(gè)功率單元為三相輸入、H橋輸出，交直交、PWM電壓源型逆變結(jié)構(gòu)。單元具有缺相、過壓、欠壓、過熱、短路、通訊等保護(hù)或功能。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過中央處理器控制各IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。每個(gè)功率單元輸出電壓為580V，串聯(lián)后輸出相電壓3480V，線電壓達(dá)到6KV。

圖5 變頻器功率單元圖

　　AMB-HVI系列高壓變頻器輸出采用高-高、多重化、多功率單元堆波、串聯(lián)疊加技術(shù)，各功率單元均由輸入隔離變壓器的次級隔離繞組分別供電，同一相的功率單元輸出相同幅值的基波電壓，各功率單元輸入之間互相錯(cuò)開一定電角度，實(shí)現(xiàn)輸入多重化，輸出多電平PWM電壓，使得輸出電壓接近正弦波。輸出電壓的每個(gè)電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，輸出相電壓為13電平，線電壓為25電平。多電平數(shù)和高開關(guān)頻率有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)均可保持在0.95以上，因此不需要配備改善功率因數(shù)的功率因數(shù)補(bǔ)償器或?yàn)V波器，就可以實(shí)現(xiàn)完美的正弦波輸出。其輸出波形如圖6所示。

圖6 高壓變頻器的輸出電壓和電流波形

　　6.3功率模塊IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)措施

　　在AMB-HVI變頻器的功率單元中，使用高性能、智能化的專用IGBT驅(qū)動(dòng)模塊對主控系統(tǒng)輸出的PWM控制信號進(jìn)行隔離、緩沖處理后，使弱電信號驅(qū)動(dòng)高壓回路中的大功率IGBT器件輸出電壓。

　　單元具有短路、過壓、欠壓監(jiān)測和保護(hù)等功能，當(dāng)負(fù)載或功率單元一旦出現(xiàn)短路、過流、欠壓等等故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊將故障信號上傳到單元CPU系統(tǒng)，主控系統(tǒng)的微處理器即時(shí)根據(jù)故障類型進(jìn)行辨別處理后，再次判斷故障的真實(shí)性，對虛假故障(干擾信號)進(jìn)行窄脈沖濾除處理，單元CPU系統(tǒng)將故障信號進(jìn)行即時(shí)分析和處理后，采取報(bào)警停機(jī)或繼續(xù)運(yùn)行命令。此項(xiàng)功能更加增加了功率模塊的抗干擾能力，增加了設(shè)備運(yùn)行的可靠程度，保護(hù)變頻器與設(shè)備系統(tǒng)的安全，不至于造成更大的故障和更大的經(jīng)濟(jì)損失。

　　7.綜述

　　該變頻控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、正弦波輸出、功率因數(shù)高等特點(diǎn)，總體諧波畸變THD小于4%，對電網(wǎng)諧波污染小，滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，不必采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，對原系統(tǒng)高壓電機(jī)和高壓電纜沒有特殊要求，可以使用普通的高壓異步電機(jī)。