產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在礦用三驅皮帶機上的應用
1引言
皮帶機在煤礦上的使用非常普遍，特別是在一些大型煤礦上。皮帶機上的皮帶是一個彈性體，在靜止或運行時皮帶內貯藏了大量的能量，在皮帶機啟動過程中，如果不加設軟啟動裝置，皮帶內貯藏的能量將很快釋放出去，在皮帶上形成張力波并迅速沿著皮帶傳輸出去。過大的張力波極易引起皮帶被撕斷，因此，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，帶式輸送機必須加設軟啟動裝置。隨著高壓變頻技術的不斷進步和完善，在新建煤礦中，新上皮帶機設備優(yōu)先考慮采用變頻調速控制。
2用戶情況介紹
轉龍灣（鄂爾多斯）煤礦屬兗礦集團下屬的煤礦，是新建煤礦，主井皮帶機用來由井下向地面運煤，皮帶機為3臺電機同時聯動拖動，皮帶機有關數據如表1所示。
表1 皮帶機基本數據 | |||
電機功率 | 3×1000kW | 鋪設長度 | 2533m |
傾角 | 15° | 運輸能力 | 2350T∕h |
皮帶寬度 | 1600mm | 速度 | 3.55m∕s |
主井皮帶機是全礦的流程中樞，一旦皮帶機不能正常工作，將造成全礦停產，且會造成巨大經濟損失。另外高壓變頻器須安裝在環(huán)境相當惡劣，煤灰比較重，粉塵大的場合。因此要求高壓調速系統具有極高的可靠性、穩(wěn)定性、防護性，變頻器應具有矢量控制功能，滿足皮帶機重載啟動，應解決多電機運行中的多機速度協調配合控制問題，應使多臺電機在運作中出力均勻。
經過對國內外各種高壓變頻器調研、比較，轉龍灣煤礦領導選擇了新風光電子公司生產的風光牌JD-BP38-1200P型（1200kW/10kV）高壓變頻器作為皮帶機的控制設備。皮帶機配備3臺高壓變頻器控制。
3 皮帶機變頻控制方案
3.1 拖動電機的控制方式
由于帶式輸送機的三臺電機中，三臺電機的控制方式不是獨立而是彼此相互關聯的。為了保證整個系統速度同步，確保三臺電機的轉矩平衡，新風光公司采用自主研發(fā)的主從控制功能，這樣一臺變頻器為主機控制模式，其余二臺為從機控制模式，跟隨主電機的速度同步運行，同時以主電機的轉矩輸出為依據，保證三臺電機之間實現轉矩平衡。
制動系統推薦采用機械或其他方式制動，變頻器本身未作特殊的考慮。但是，變頻器提供軟停機功能，停機時，先把帶式輸送機速度調下來，當速度降到一定值時，再把變頻器退出，制動器抱閘。
3.2新風光JD-BP38-1200P高壓變頻器基本性能
根據現場情況，需要使用高壓變頻器實現皮帶系統的軟啟動和調速運行，要求變頻器矢量控制技術，滿足皮帶機重載啟動、主從電機轉矩均衡控制等功能，要求變頻器具有高可靠性。轉龍灣煤礦選用新風光電子公司生產的3臺JD-BP38-1200P高壓變頻器，對皮帶傳動系統進行控制。該系列高壓變頻器具有以下特點：
（1）采用完美無諧波的單元串聯多電平拓撲結構，具有較低的電網電流諧波，滿足電網對電能質量的嚴格要求，輸出線電壓為33電平，無需使用輸出濾波器，可采用普通異步電動機。
（2）采用無速度傳感器矢量控制方式，啟動力矩大，并有效避免由于負載波動導致的變頻器過流故障。
（3）配置轉矩協調功能可實現對多電機驅動系統的轉矩實時均衡控制。
（4）可配置2倍以上電流過載能力，可滿足大慣量系統的重載啟動要求。
（5）風光高壓變頻器對電網電壓的適應范圍寬（－65％～115％Un），采用單元故障自動旁路、星點漂移技術、工頻旁路、瞬時停電再啟動功能、相間短路等多項完善的保護功能技術，提高了抗電網波動和負載擾動能力，大大提高產品在煤礦皮帶機應用現場的可靠性。
新風光電子有限公司生產的JD-BP38-1200P 高壓變頻器(1200kW/10kV）技術參數如表2所示。
4皮帶機變頻主回路接線圖
現場采用3套新風光電子科技股份有限公司生產的JD-BP38-1200P高壓變頻調速系統，根據用戶要求，變頻器控制系統主從控制，采用“一拖一”控制。為防止變頻器檢修或故障對生產的影響，高壓變頻器配置手動工頻旁路。3臺高壓變頻器主回路接線方式相同，以其中一臺裝置為例說明，一次接線如圖1所示：
圖1 手動旁路柜一次回路圖
旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用機械互鎖操動機構，實現機械互鎖。當K1、K2閉合，K3斷開時，電機變頻運行；當K1、K2斷開，K3閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。
保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
5 主從控制
此方案采用3臺變頻器分別拖動3臺電機，將各個電機定子繞組直接分別接在相應變頻器輸出測；3臺電機變頻系統是由完全獨立的3臺變頻器通過主、從機的同步通訊方式保證3臺電機的轉速以及功率平衡。3臺電機中任意一臺都可作為主機，另外2臺為從機。三機拖動方案中，變頻器對電機獨立控制，變頻器主從之間可以自動來調整變頻器輸出功率一致。
三機主從控制過程如下：
根據用戶要求，現場采用3臺1200kW變頻器分別控制3臺1000kW高壓電機，如圖2所示，如果選用1#變頻器為主變頻器（控制1#電機），2#變頻器、3#變頻器為從變頻器（分別控制2#電機、3#電機），由操作臺發(fā)給主變頻器給定頻率值，主從變頻器之間采用ModBus總線通信，1#變頻器作為主控，檢測1#、2#、3#電機的運行電流，發(fā)出輸出轉矩給定值，控制2#、3#變頻器同步運行。通過對3臺變頻器的輸出電流進行采樣比較，通過改變2#、3#機的控制信號，使其始終跟隨1#機而變化。例如，當2#電機的電流大于1#電機時，降低2#變頻器的給定信號，從而使2#電機轉速降低，負荷減輕，電流變??；當2#電機的電流小于1#電機時，提高2#變頻器的給定信號，從而使2#電機轉速升高，負荷加大，電流變大。最終使3個電機負荷基本一致，電流在允許的范圍內。
圖2皮帶機變頻器主從控制簡圖
6皮帶機變頻電控系統的工作過程
皮帶電控系統控制原理如圖3所示。
圖3皮帶電控系統控制原理
（1）起車時，皮帶電控首先對皮帶系統傳送過來的信號進行判斷，如跑偏、堆煤、縱撕、急停閉鎖等，若各信號正常才能進入下一程序；其次，根據皮帶機頭各傳感器返回的信號檢測制動閘及各開關狀態(tài)是否正常；最后，判斷皮帶張力是否在允許啟動范圍內。
（2）當皮帶機各部分都處于正常狀態(tài)，具備起車條件，才會發(fā)出啟動信號。當發(fā)出起車指令后，變頻器起動。操作臺發(fā)出變頻運行信號，變頻器按操作臺給定的運行信號輸出頻率和電壓變化的電源，控制電機按給定的“S”形曲線軟啟。
（3）與此同時，操作臺發(fā)出指令使抱閘打開，并檢測抱閘是否完全打開。若抱閘未打開或未完全打開，將關閉運行信號，同時給變頻器抱閘信號使變頻器急停，防止變頻器因堵轉而出現過流跳閘。
（4）當皮帶達到額定速度，電控系統實時檢測皮帶速度與滾筒速度，當二者速度差值超過規(guī)定值，緊急停車，并發(fā)出打滑報警信號。
（5）系統實時檢測電機溫度、減速器溫度、軸承溫度、皮帶張力、電機電流、抱閘狀態(tài)、變頻狀態(tài)、PROMOS狀態(tài)等，當任一項指標或狀態(tài)不正常時，系統緊急停車并報警。
7采用高壓變頻器對皮帶機進行驅動的效果
變頻器2015年9月調試完畢投入使用至今，沒有發(fā)生故障停機，運行狀態(tài)良好。皮帶機采用變頻器后，具體來說，有以下優(yōu)點：
（1）真正實現了皮帶機軟啟動。通過電機慢速啟動帶動皮帶機緩慢啟動，將膠帶內部貯存的能量緩慢釋放，可將輸送機啟停時產生的沖擊減至最小，幾乎對膠帶不造成損害。
（2）降低膠帶帶強。由于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60～120s內根據現場情況設定。由于降低了啟動沖擊，機械系統的損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒壽命大大延長。
（3）實現了皮帶機3臺電機驅動時的轉矩平衡。電機驅動時采用主從控制方式，實現轉矩平衡。
（4）驗帶功能。低速驗帶功能是皮帶機檢修的要求。變頻調速系統為無級調速的交流傳動系統，在空載驗帶狀態(tài)下可調整0～100%額定帶速范圍內的任意帶速。
（5）平穩(wěn)的重載啟動。變頻器低頻運轉可輸出2.2倍額定力矩，適于重載啟動。
（6）節(jié)能。對應于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，同時電能消耗也較低速運行大得多，但因生產的需要皮帶機系統又不能隨時停車，可根據生產情況控制變頻器降速或升速。對于載荷不均的皮帶機系統，可節(jié)約電能、降低皮帶的磨損。
8結束語
皮帶機的驅動系統采用新風光電子科技股份有限公司生產的JD-BP38系列高壓變頻器后，保證了運輸皮帶的穩(wěn)定運行，配合自動控制系統有效解決了皮帶運輸過程中的跑偏、堆煤、超溫等問題，提高了皮帶機的自動化控制水平。現場應用表明，利用技術先進、成熟可靠的高壓變頻調速系統拖動煤礦皮帶機，可大大提高皮帶機自動化控制水平，降低現場維護量，帶來可觀的效益，值得大力推廣。
