浅谈矿井胶带机变频调速系统设计

工业技术　ｃ　ｉｎａ　Ｎｅｗ　ｎ。　豳囵团圈母　圃　浅谈矿井胶带机变频调速系统设计　李利锋　（中国神华神东煤炭集团设计公司，内蒙古鄂尔多斯０１７２０９）　摘要：介绍了一种矿井胶带机变频调速系统的结构设计、变频器的选型计算、控制策略的具体实现及系统功能。实际运行表明，该　系统控制的胶带机启动转矩大、电流冲击小、启动速度平稳、功率因数及运行效率高，大大降低了设备的维护量，节电效果明显。　关键词：矿井；胶带机；变频调速；变频器；软启动　１前言　国内现有大多数煤矿的胶带输送机简称　胶带机）一般都采用工频拖动，较少使用变频器　驱动。由于电动机长期工频运行，加上液力耦合　工频启动时，电流剧增的同时电压也会大幅度　直流电，逆变单元用于将直流电转换成三相交　波动，电压下降的幅度将取决于启动电机的功　流电，控制电路用于产生输出逆变桥所需的各　率大小和配电网的容量，电压下降将会导致同　种驱动信号。　供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作　．４２变频器的选择　—器效率等问题，使得胶带机运行起来非常不经　济；同时由于电动机无法采用软启软停，容易在　机械上产生剧烈冲击，加速机械的磨损；另外，　胶带、液力耦合器的磨损和维护等问题都会加　大煤矿企业的成本费用。目前大功率、智能化的　胶带机以进口为主，但进口胶带机的价格较高，　同时运行和维护的代价高。　变频调速是近年来兴起的一门新技术，它　是通过改变电源频率来调节速度，因其具有调　速平稳、瞬态稳定性高、节能等特点而受到广泛　重视。　随着变频调速技术的不断发展和成熟，其　在胶带运输设备上的应用也越来越广泛。如果　采用变频器来驱动电动机，则具有启动转矩大、　启动平稳、运行时机械特胜硬度高、启动和运行　功率因数高等优点。鉴于此，笔者设汁了一种矿　井胶带机变频调速系统，本文将着重对该系统　的结构及控制策略进行分析和介绍。　２变频器工作原理　电机的旋转速度ｎｌ　ｎ一６０ｆ／ｐ（ｎ：同步　速度，ｆ：电源频率，Ｐ：电机极对数），所以电机的　转速近似地取决于电机的极数和频率。电机的　１二作原理决定了电机的极数是固定不变的，由　于极对数不是一个连续的数值伪２的倍数，例　如极数为２，４，６），所以一般不适合通过改变电　机的极对数来调整电机的速度。而频率能够在　电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋　转速度就可以被自南的控制。因此，以控制频率　为目的的变频器，成为电机调速设备的优选设　备。　变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工　频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频　器把工频电源变换成各种频率的交流电源，以　实现电机的变速运行。　变频器由整流佼流变直流）、滤波、逆变ｆ］卣　流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处　理单元等组成的。　其中控制电路完成对主电路的控制，整流　电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对　整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直　流电再逆成交流电。对于矢量控制变频器这种　需要大运算的变频器来说，还需要进行转矩计　算的ＣＰＵ以及一些相应的电路。　３工频直接驱动与变频器驱动胶带机系统　的比较　传统的胶带机系统由工频直接启动三相异　步电动机，带动胶带机在几秒的时间内由零速　达到满速，启动过程对整个电气系统和胶带机　系统造成的影响很大。电动机在启动过程中会　产生７～８倍的额定电流，大大增加电机绕组的　电应力并产生热量，降低电机的使用寿命。电机　异常。　电机功率与电流和电压的乘积成正比，那　么通过工频直接启动的电机消耗的功率将大大　高于变频启动所需要的功率，在一些工况下，配　电系统已经达到了最高极限，而直接工频启动　电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产　生严重的影响。　通过１二频直接启动时，对胶带机系统的电　机、减速机、滚筒、托辊、皮带及固定支架等造成　剧烈的振动，这种振动将进一步加剧机械磨损　和损耗，降低机械部件和电机的寿命。　变频器驱动的胶带机系统，变频器能够按　照用户的需要进行设定使系统光滑地加速，在　低速时变频器能够输出较大力矩，使胶带机系　统按照设定的曲线进行加速，由０速到满速平　稳启动，最大程度减少了启动过程中对电机、电　网及胶带机机械部件减速机、滚筒、皮带、托辊、　定架等１的损伤，降低了设备维护量，节约大量　的人力、资金成本。　在变频调速中，胶带机系统停止方式可以　受控并且有不同的停止方式，可以选择溅速停　车、自由停车、减速停车直流制动），同样它能减　少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统　更加可靠，寿命也会相应增加。　胶带机传统的驱动装置包括：交流异步电　动机、液力偶合器、减速机、滚筒等，而变频器能　实现低速下高效的转矩输出，冲击力和振动大　大降低，可以节省缓冲装置。我们目前的胶带机　系统就省掉了传统的液力偶合器，从而降低成　本和空间，减少故障点，提高系统稳定陛。　当胶带机在满负荷运行中，突然发生故障　停车，恢复故障后，传统的驱动方式必须将物料　卸下后才能启车，启车后再将物料返回皮带上。　如果强行启动。极大的启动电流可能烧坏电机　或者高压电器设备。而变频器的矢量控制方式　带动负载进行工作，使用变频调速能充分降低　启动电流，可以实现胶带机重负荷启车，减少了　故障停车时间，降低了作业人员的劳动强度。　变频器可以通过ＰＬＣ远程控制，实现对胶　带机的自动控制。如果系统工艺变化，还可以在　ＰＬＣ中设定胶带机速度，直接实现速度变化。　变频器还具有十分完善的保护功能和自诊　断功能，可以直接从变频器操作面板上查到当　前胶带机系统发生的故障，根据故障查找问题　设备，便于迅速排除故障恢复生产。　４系统结构　４．１系统组成　胶带机变频调速系统主要由整流单元、滤　波单元、逆变单元和控制电路组成。其中整流单　元用于将交流电压变为直流电压，滤波单元用　于将脉动较大的交流电滤波后变成比较平滑的　目前，输出电压为６６０　Ｖ的变频器已经相　当成熟，１　１４０　Ｖ的变频器在国内还处在试运行　阶段。　考虑到设备的可靠陛，决定采用６６０　Ｖ电　压等级的变频器。另外，为保证胶带机可靠运　行，变频器还应具有控制简单、启动特性好、调　速性能好、启动转距大、节能、工作可靠、维护量　小等特点，基于上述考虑，决定采用无速度传感　器直接转矩控制（ＤＴＣ）的ＩＧＢＴ变频器。　按电动机在输出最大转矩时的电流计算变　频器的额定电流：Ｉｂ≥Ｉ　，Ｋ　（１）　式中：Ｉ　为变频器额定电流；Ｉ　为电动机在输　出最大转柜时的电流；Ｋ　为变频器的过载倍　数。　５系统控制策略　５．１　ＤＴＣ系统结构　由于ＤＴＣ技术结构简单，控制信号处理的　物理概念明确，控制上除定子电阻外的所有异　步电动机参数变化的鲁棒性好，因此，ＤＴＣ技术　在控制异步电动机上具有转矩响应速度快且无　超调等特点，是一种具有高静、高动态性能的交　流调速控制方式。　５－２系统控制功能　系统的逻辑控制由ＰＬＣ来完成，可实现以　下功能：（１）通过变频器控制电动机的启动、运　行、停止过程。系统可实现真正的软启动、软停　止，将胶带机启停时产生的冲击减少至最小。在　实际启动过程中，由于胶带机是连续运行设备，　启动次数较少，启动时间长短对生产无大影响。　在调试时减速停车时间设为１０Ｓ，可以满足要　求。ｆ２）根据２台电动机减速器和驱动轮驱动的　线速度自动调整２台变频器的频率给定增益。　（３）完善的保护功能。系统可实现过流、过压、过　载、欠压、欠载、缺相、短路、过热等保护功能。　６结束语　本文设计的矿井胶带机变频调速系统目前　已得到现场应用。实际运行结果表明，该变频调　速系统大大降低了设备的维护量，能够自动调　速，节电效果明显，具有平稳的重载启动能力，　功率因数高，运行效率较液力耦合器驱动系统　高５～１Ｏ，且具有验带功能，在空载验带状态下，　变频器可调整电动机工作在５～１００额定带速　范围内的任意带速。　参考文献　［１１杨岸．矿井胶带机变频调速系统的设计．工矿　自动化．２０１０年第０１期．　ｆ２１王顺．矿井施工计划动态管理模型的研究ＩＡ１．　发展战略与系统工程一一第五届系统工程学会　年会论文集［ｃ１．１９８６年．　中国新技术新产品　一１２３—