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6kV变频调速装置在带式输送机的应用
发布时间：2013-06-02 07:52 来源：未知
1、概述
带式输送机是煤矿、冶金、码头普遍采用的连续运输设备，对启动和制动过程的控制一直是影响带式输送机可靠性和经济性的重要因素。过去很长时间里，液力偶合器以功率适应范围大；结构较简单、投资不算太大、可空载启动、不产生高次谐波等优点成为带式输送机的凋速方式主要选择方向。其缺点主要表现在：有滑差损失，滑差功率损耗变为油的热量使油温升高，需要冷却设备，且投入耦合器前要先将电机工频启动，启动电流较大，并随着使用时间的延长，机械磨损和老化问题日趋严重，故障率增加，电动机效率低，并存在电机间的同步以及出力不均的问题。另外，美国某公司的可控启动传输装置CST，虽能很好地解决大功率带式输送机的启制动过程的控制，但结构复杂，成本高，同液力偶合器一样也存在维护量大等问题。
近年来，变频技术的应用在我国有了很大的发展，与传统机械调速方式比较，其优越性日趋突出，以控制精度高，优越的调速和启制动性能等优点，在节能、减少维护、提高产品质量等方面取得了明显的效益。目前，以PWM控制、第四代IGBT直接串连三电平、6脉冲变流技术的中小功率低压变频器在带式输送机上成功地应用，提高了带式输送机的运行性能。近几年，长运距、太倾角、大运量带式输送机成为新的发展方向。其安全、经济、可靠、高效运转成为新的研究课题。这些带式输送机具有线路复杂、驱动功率较大，通常在400 kW以上，且需用多台电动机驱动的特点，采用低压变频方式已显得不很适宜。在近几年，随着以CTO，1GBT, ICCT等自关断器件的发展，各种适合高压变频的主电路拓扑结构研究的进一步深入，高压大容量变频调速技术取得了突破性进展。因此。采用高压变频调速技术对大功率带式输送机进行驱动和控制，以满足整机动态稳定性及可靠性的要求。是促进能源节约的一种重要手段。
2、高压交流变频调速装置技术指标的确定
—通过对高压大容量的变频器结构特点分析，并结合带式输送机调速范围、静态速度精度、启动转矩等的要求，确定以下主要技术指标做为高压变频装置对带式输送机进行驱动和控制的设计依据。
(1)高一高结构，即6 kV输入／输出，不需输出升压变压器，简化和减少变配电环节的设备，直接适用于6 kV电源系统。
(2)变频输出为单元串联移相PWM方式，输出相电压至少为13电平，线电压至少为25电平。
(3)一体化设计，包括输入干式隔离变压器，变频器等所有部件及内部连线，减少占地空间，提高了效率，易于现场的管理维护。
(4)谐波抑制采用36脉冲整流输入，符合并优于JEEE519—1992及GB/T145J9—93标准对电压失真和电流失真的严格要求。
(5)无需滤波器变频器就可输出正弦输出电流和电压波形，对电机没有特殊要求，可以使用普通异步电机，电机不必降额使用。电机不会受到共模电压和dv/dt的影响。
(6)无需功率因数补偿装置，在20%～100%的负载变化情况内功率因数达到或超过0. 95。
(7)采用先进的无速度传感器矢量控制。
(8)功率单元和主控系统通信采用光纤连接，具有很高的通信速率和抗干扰能力，安全性好。
(9)启动转矩满足每10min有1min的200%的转矩过载能力要求，适应输送机重载启动要求。
3、设计应用研究
通过以上对高压变频装置技术指标分析，在甘肃某煤矿主斜井带式输送机的设计采用了高压变频调速技术，该机长度为1021m，倾角25°，运量350 t/h，在综合考虑现场实际运行特点，确定该机带速P=3. 15 mm/s，设计功率Ⅳ=2 x400 kW，采用双电机、双滚筒驱动，电机与减速器之间刚性联接，中间投有其他功率传递装置的驱动单元形式，具有占地空间小，容易布置；能量传递的环节少，使驱动系统的效率高，维护工作量小等优点，是带式输送机一种最有效经挤的驱动方式。
传动形式采用2台额定输出功率为600kW、以先进的矢量控制技术构成的高压变频调速装置对2台400 kW国产普通6 kV高压电机进行调速控制。高压柜系统采用KYN28A户内金属铠装抽出式金属封闭开关柜，一台进线柜采用双回路进线形式，满足煤矿主斜井供电要求。2台启动柜为分断2台变频器的6 kV电源主开关及变频器旁路时2台主电机的直接启动控制及�；�，2台旁路柜作为2台电机接入变频电源或工频电源时的转换开关。
传动装置及系统结构如图1所示。
4、监控系统设计
随着对带式输送机的可靠性和经济性要求的不断提高，在充分结合高压变频技术以及迅速发展的计算机技术、自动控制技术，并通过对现有控制设备的综合技术分析，设计了相应的监控系统，该系统基于西门子S7 - 300型PLC逻辑控制，以嵌入式工控机系统为监控中心，用来完成整个系统的数据采集、设备控制、信息传输及全过程的可视化监控。有效地解决以下技术难点：
(1)拖动电机的控制方式。由于该带式输送机双电机、双滚筒驱动，因此，电机的控制方式是相互关联的。若2台电机的传动都作为独立的速度控制，运行时，2台电机的转矩难以调整。为了满足2台电机速度同步，又要2台电机的转矩平衡，把控制系统设计为1个速度环、2个电流环的主从控制结构�？刂瓶蛲既缤�2所示。
(2)力矩平衡控制。由交流异步电机的机械特性可知，同一型号和功率的2台电动机的机械特性相同，理论上讲，负载在2台电机间平均分配，2台电机各承担1/2的负载。但在实际中，由于2台电机制造的材料和工艺误差及2套机械减速装置的制造误差，导致2套电机拖动系统的特性很难完全一致，所以负载在两电机间很难完全平均分配。
为解决2台电机的转矩和拖动功率平衡问题。采用了主从控制方式，主变频器按照带式输送机要求对整个系统进行速度控制，主变频器的速度调节器的输出作为转矩设定值，分派给主变频器和从变频器，取2台电动机在各自系统中的磁通值，把转矩给定值转换为电流给定值，进行各自的电流闭环调节，这不仅保证了2台电动机的出力一致，而且达到了转矩平衡。
(3)速度同步控制。由于采用了1台电机的速度计算值作为内部速度反馈信号，满足了速度的控制要求，叉由于采用了转矩平衡控制（转矩给定为同一值，且采用闭环调节）使2台电机出力相同，故电机预达到的速度也是一致的。
(4)启动加速度控制。由于变频器的矢量控制技术及转矩控制功能和快速电流限制功能，使输送机获得了比较好的启制动加速度。优于现行标准规定的0.1—0.3 In／S2输送机的启制动加速度值。
(5)运行速度控制�？梢愿菔导矢涸乩慈范ù绞渌突氖导试诵兴俣�，即根据负荷的变化来调整系统速度给定信号。按照实际情况要求，可以采用分级给定和无级调速给定2种方式。
分级给定是指整个速度按煤量不同，结合带速、带强等，分为5级：满载、煤量大、煤量中、煤量小、验带。
无级调速给定是指采用PLC自动和手动无级给定2种形式，前者由PLC实际检测负载，当空载或煤量少时，带式输送机可以很低的速度维持运转，随着负荷的增加，给定速度相应增加。电机速度、输送带运转速度也相应增加，反之亦然。后者通过手动调节旋钮，实现手动无级调速。
(6) PLC软件设计。终端采用梯形图语言编写，为提高终端的抗干扰能力，软件设计中采用了数字滤波、故障自检、控制口令等措施，保证控制操作的正确性和可靠性。程序设计采用�？榛�、功能化结构，便于维护、扩展。
(7)监控软件设计。采用MCGS全中文工业自动化控制组态软件，组建了优质高效的监控系统，用来完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能，使带式输送机运输更加安全高效。主监控界面如图3所示。
(8)带式输送机�；は低�。按《煤矿安全规程》的要求，设有沿线急停、温度、烟雾、纵向撕裂、煤位、跑偏、张紧限位、速度、断带、超温自动洒水等各种常规�；�，此外还设有主电机三相定子绕组温度、前后轴承温度、变频器的功率单元柜温度、隔离变压器温度、变频器故障、高压开关柜故障等各种故障�；すδ�。
5、应用情况
该6 kV高压变频调速带式输送机于2006年6月安装调试投入运行以来，运行情况良好，主要表现在以下几个方面：
(1)有效地实现启动加速度控制、运行调速控制、力矩平衡控制及速度同步控制，转矩和速度控制精确平滑，保持输送带动态张力最小，启制动过程输送带无震颤，噪声低，从而显著延长了输送机的使用寿命，并实现经济运行。
(2)整机结构合理，设备配置优化，有利于用户的现场管理和维护，降低了对电网的容量要求和无功损耗。
(3)对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪声、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以适用于由普通国产电机做为主驱动电机各类带式输送机。
(4)控制面板可完成对系统监控及集控、就地、检修、手动等不同工况下的操作控制。
(5)完善的带式输送机各种故障检测及全面的故障监控功能。实现控制系统的自检、报警、信号记忆。
(6)通过多功能显示平台实现系统的实时数据和历史数据登录功能，以及系统各种运行参数／变量的中文显示。并建立故障排除系统，使用户在电脑系统的指引下逐步排除故障。
(7)由于对采用了运行过程的分级和无级调速控制，可根据运煤量大小即时调整带速，提高了带式输送机的工作效率。
6、结 语
现场应用表明，高压变频调速控制系统可有效地改善和提高带式输送机启动、运行控制性能，实现了带式输送机的安全、高效、经济、可靠运转，延长输送带、主驱动电机、减速机等传动设备的使用寿命。
为解决带式输送机的传动控制设计及改造、系统监控、节能降耗、提高效率，提出了新的设计思路。
目前，高压变频装置的一次投入虽较大，但从长期应用的可靠性、寿命、维护量、节能等角度来看，所带来的经济效益和社会效益是非�？晒鄣模绕湓诮窈蠓⒄贡亟允靖蟮纳�。
6、巷道位移测试，
巷道位移测试仪器采用SMK -l型钢环式收敛计，布置4个观测断面，各观测断面间距35 m。观测时间安排：开始时每天测1次，7d后每3d测1次，1个月后每周测1次（表2）。通过表2可知，支护的收缩量合适，巷道支护3个月后，围岩位移趋于稳定，符合使用要求。
