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变频驱动在长运距带式输送机系统的应用
发布时间：2013-09-12 08:38 来源：未知
1、概述
随着电力电子技术的发展，采用交流变频装置所增加的成本已能被采用交流电动机所节省的成本所弥补，因此，晋城煤业集团在赵庄煤矿主斜井长运距带式输送机系统中采用了基于矢量控制技术的西门子SIMOVERT MV电压型变频器。赵庄煤矿主斜井长运距带式输送机系统使用2. 3kV、3x1850kW西门子变频电机，2. 3kV、3×2200kVA西门子3电平、12脉动、矢量控制的中压变频器。这种多点、中压变频驱动在国内的输送机系统中并不多见。赵庄煤矿带式输送机系统于2005年10月底开始运转。
2、系统构成
变频调速系统的控制量通常是交流电动机的定子电压幅值和频率（电压控制型）或定子电流幅值和频率（电流控制型），它们都是标量，无法控制瞬时方向。为了改善转矩的控制性能，我们对定子电压或电流实施矢量控制，这样既控制了大小，又控制了方向。
西门子矢量控制变频器SIMOVERT MV是以磁场控制、智能控制等现代理论为基础，并直接控制力矩的，其内藏电流矢量控制功能可以提高力矩控制和速度性能。使用矢量控制技术，AC方式调速的范围与动态响应可与DC调速方式相比拟，甚至超过DC的性能，它的获得主要是将电机的转矩电流与励磁电流进行分离和单独控制，特需的转矩可被保持和被有效地限制。而且西门子矢量变频器SIMO-VERT MV使用数字控制技术，所提供的功能范围能够被完善和扩展，使整个系统对操作和服务人员较为透明。
赵庄煤矿主斜井长运距带式输送机系统属于中压变频调速系统，该中压变频系统以恒转矩负载调速驱动，在轻载及重载工况下，均能有效地控制带式输送机柔性负载的软启动／软停车动态过程，实现各驱动之间的功率平衡，并提供可调验带速度。由此降低直接启动／快速停车过程中对机械和电气系统的冲击，避免撒料与叠带，可有效抑制带式输送机动态张力波对胶带和机械设备造成的危害，延长输送机使用寿命。
由于主斜井进线电压是10kV，变频器通过变频变压器与电网连接，因而对于标准的二极管前端( DFE)12脉冲配置，只需一个三绕组变压器，驱动系统（变频器和电机）通过此变压器与电网隔离开。采用3电平12脉动的整流单元和一台次边相差30。的三绕组变压器供电，电网扰动作用明显减少，其5次和7次谐波电流相对于6脉动工作来讲几乎完全抵消。两台电机置机头，一台置机尾，机头中的一台作主电机，其余作从电机，采取主从控制，主电机动作，从电机跟随，达到整条运输带的功率平衡。主从控制技术可以实现多套驱动装置之间的速度同步和力矩平衡，主从控制分为从机力矩限幅和从机力矩’控制。从机力矩控制适用于刚性连接，从机的力矩给定来自于主机的力矩输出；从机力矩限幅适用于柔性连接，从机的力矩给定来自于主机的力矩限幅。这样可使负载在电机之间均衡分配，从而保证各电机出力均衡和速度同步。
功率平衡在多点驱动的带式运输机系统中至关重要。在变频驱动的工作方式下，主机速度采用闭环控制，以机跟随主机的转矩，实现同轴的电机之间的功率平衡。
带式输送机系统的监控单元是工控机（内装组态王），它具有多种显示和多种操作，显示包括：带速、电机转速、电机电流、电机功率、料仓料位、沿线急停位置，输送机运行及故障状态；操作分为：启动、急停、停止、预警、启主机、停主机、启给煤机、停给煤机、速度给定、工作方式转换等�？刂破鱌LC设有跑偏、拉线、烟雾、堆煤、打滑、洒水等符合煤矿安全规程的�；ぃ⒓觳庵鞯缁�、减速器、滚筒轴承温度；而且能检测闸皮磨损并具有手动控制盘形闸功能；具有与上、下级输送机及给煤机的联锁功能，实现前方胶带、主斜井胶带、给煤机的同步控制。
3、矢量变频器
赵庄矿选用的西门子中压矢量变频器SIMO-VERT MV，是具有HV-IGBT逆变器、全数字技术的有中间电压回路的变频器。变频器采用闭环矢量控制方式，使整个调速范围内转矩特性保持较佳。根据现场控制系统的实际情况，变频器与现有控制系统的通讯可通过变频器配置的I/O口来实现。从PLC到变频器的给定信号有：速度给定4—20 mA、变频器开、变频器停、紧急停机、辅助设备准备好。从变频器到PLC的信号有：变频器预备、变频器运行、变频器报警、变频器故障、电机过速、变频器过载、变压器过热、电机转速4—20 mA、电机电流4—20 mA、到进线柜信号（开关合）。
对于恒转矩主／从传动系统，每台电动机使用一个1024脉冲或更高分辨率的增量型脉冲编码器，结合闭环力矩控制技术，可以获得最高的动态特性和速度精度。通过系统参数设置，可指定某驱动装置为主驱动或从驱动方式，主驱动采用速度反馈控制，可以得到高性能的启动／停车曲线，从驱动采用内部电流或力矩控制，可以实现功率平衡功能。
驱动系统的原理见图3。
西门子变频调速驱动系统仅从电网吸取输出所需的功率，因而效率较高，在流量或输出较低的情况下，即部分负荷或低负荷的情况下更为明显。
在线直接启动定速电机，会有一个高于额定电流6倍以上的浪涌启动电流，这个电流中的一部分在电机内以热能形式散发，在供电系统电网较弱的情况下，它会造成较大的压降。
根据不同的应用场合，西门子矢量变频器的控制功能可以将启动电流限制在电机的额定电流及以下的任何电流值，从而能够降低对电机及电网的压力。
作为标准配置，西门子矢量变频器的功率部分包括：12脉冲配置的二极管整流器(DFE)、具有电容器和消弧可控硅的3电平直流环节、3电平3相逆变桥。功率部分设计采用3电平技术拥有许多优点：高压ICBT只需承受DC环节电压的一半电压；为获得同等质量的输出电流，变频器的开关频率仅约为2电平技术的1/4，因此HV -IGBT的损耗降低而效率提高；与2电平技术相比，输出电流的特性得以改善；电机的损耗及噪音降低。电机侧逆变器采用3电平电路设计，加之与HV -IGBT的性能相结合，其输出是一个正弦电流。低的谐波分量保证在整个速度控制范围内拥有极佳的恒转矩和低的电机损耗。
逆变器部分的控制是通过控制提供给每个IC-BT功率元件的触发信号来实现的，根据事先准备好的、为减少谐波影响的脉冲波形，逆变器可向电机提供友好的输出波形，特别是在低转速时的平滑转矩性能。
4运行检验
根据现场输送带的工艺要求，3套变频器实现主从控制，主传动以闭环速度控制模式，两台从传动则为闭环力矩控制，实现优化S形曲线启动，使输送系统的启动更平稳。主从传动之间通过适当的通讯连接，对变频器参数进行合理设置，实现变频器之间的负荷分配。通过基于矢量控制技术的西门子变频器驱动系统可以使电机恒转矩运行，使带式输送机系统运行平稳。
当主传动进行维护或出现故障时，可通过变频器间的控制联锁，使两台从传动变频器中的一台自动升级，并使被控电机成为主传动，以确保输送带仍能在降负荷下工作。
5、结语
赵庄煤矿主斜井长运距带式输送机系统运行至今已有1年，与其他输送系统相比，其性能可靠、操作维护方便、经济效益较为显著。
