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，《煤礦安全規程》規定，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，電流變小；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，具備起車條件，才會發出啟動信號。當發出起車指令后，變頻器起動。操作臺發出變頻運行信號，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定值，緊急停車，并發出打滑報警信號。
（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、變頻狀態、PROMOS狀態等，當任一項指標或狀態不正常時，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，沒有發生故障停機，運行狀態良好。皮帶機采用變頻器后，具體來說，有以下優點：
（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，在空載驗帶狀態下可調整0～100%額定帶速范圍內的任意帶速。
（5）平穩的重載啟動。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。
