一、概述

    煤礦工業(yè)作為產(chǎn)能大戶(hù)，隨著(zhù)行業(yè)的系統化和規?；?，近幾年已經(jīng)成為國家支柱產(chǎn)業(yè)之一。但由于設備陳舊，自動(dòng)化程度低，我國煤礦開(kāi)采僅在2005年即耗能5086.81×10△t標準煤,耗電376.04×108kW·h,分別占全國總耗能量和總耗電量的3.86%和3.49%。所以，煤炭工業(yè)既是產(chǎn)能大戶(hù),又是耗能大戶(hù)，同時(shí)也是節能潛力大戶(hù)。目前我國煤礦行業(yè)存在電機啟動(dòng)困難、機械損傷嚴重以及自動(dòng)化程度低等問(wèn)題都迫切需要利用變頻技術(shù)進(jìn)行節能降耗改造。據統計，按節電率30%計，采用變頻調速技術(shù)年節電潛力至少為10×108～15×108kW·h。所以，利用變頻技術(shù)對現有電機設備進(jìn)行節能改造，是解決我國煤炭工業(yè)高消耗、低效益的主要措施。

    刮板輸送機是一種重要的礦山運輸機械。由于它結構簡(jiǎn)單、使用壽命長(cháng)，運轉可靠性高、節能高效、輸送距離長(cháng)、密封性能好且維修方便，在冶金、建材、化工、火電、礦山等行業(yè)里廣泛使用。

    二、刮板輸送機介紹

    2.1 刮板輸送機

    利用固接在牽引鏈上的刮板在敞開(kāi)的料槽中刮運散狀物料的輸送機。它由敞開(kāi)料槽、牽引鏈、刮板、頭部驅動(dòng)鏈輪和尾部張緊鏈輪等組成。

                      圖1：刮板機實(shí)物圖

    2.2 刮板輸送機的分類(lèi)

     刮板輸送機適用于煤層傾角不超過(guò)25度的采煤工作面，但對于兼作采煤機軌道與機組配合工作的刮板輸送機，適用的煤層角度一般不超過(guò)10度。煤層傾角大時(shí)，要采用防滑措施。此外，在采煤工作面下順槽和聯(lián)絡(luò )眼都可以使用刮板輸送機運送煤炭。目前，采煤工作面多使用可彎曲刮板輸送機，以適應自動(dòng)化、綜合機械化采煤的需要，與相應的采煤機、金屬支架或自移式液壓支架配套使用。

    刮板輸送機的電動(dòng)機功率從7.5KW～2000KW輸送能力從30t/h～6000t/h之間，常用的分類(lèi)方式有以下幾種：

    （1）按牽引的條數和布置方式，可分為單中鏈、邊雙聯(lián)和中雙鏈及三鏈型刮板輸送機。

    （2）按溜槽的布置方式，可分為重疊式和并列式溜槽刮板輸送機。

    （3）按溜槽的結構，可分為開(kāi)底式和封底式溜槽刮板輸送機。

    （4）按卸載方式，可分為端卸式和側卸式刮板輸送機。

    （5）按功率大小，可分為輕型（單電動(dòng)機額定功率輕型(P≤40kW)、中型(40kW＜P ≤90kW)、重型(P＞90kW) 。

    2.3 刮板輸送機的組成

    刮板輸送機是一種有撓性牽引機構的連續運輸機械。溜槽是煤炭的承載機構，其牽引推運機構是繞過(guò)機頭鏈輪和機尾鏈輪（或滾筒）而進(jìn)行循環(huán)運動(dòng)的無(wú)極閉合的刮板鏈。啟動(dòng)電動(dòng)機，經(jīng)液力聯(lián)軸器、減速器傳動(dòng)鏈輪而驅動(dòng)刮板鏈連續運轉，將裝在溜槽中的煤炭推運到機頭處卸載轉運。各種類(lèi)型的刮板輸送機的組成部件的型式和布置方式不完全相同，但主要結構和基本組成部件是相同的。刮板輸送機一般是由機頭部；機身部和機尾部三部分組成。

    刮板輸送機的組成部件：

    1）機頭部：由機頭架和安裝其上的鏈輪組件、聯(lián)軸器、減速箱和電動(dòng)機組成。

    2）機尾部：機尾架、鏈輪組件、聯(lián)軸器、減速箱、電動(dòng)機。

    3）機身部：中部槽、刮板鏈、鏟煤板、擋煤板。

    4）輔助裝置：主要包括緊鏈裝置、推移裝置、和錨固定裝置。

    三、變頻改造

    3.1 項目信息

    陜西某國營(yíng)大型煤礦現場(chǎng)，刮板輸送機的功率為1250kW，全天24小時(shí)不間歇運行。每臺刮板輸送機用兩臺同等功率、同等電壓的電機驅動(dòng)，這兩臺電機電壓均為3.3kV，單臺功率覆蓋范圍是160kW～1250kW；生產(chǎn)運行時(shí)要求同步啟動(dòng)兩臺電機，啟動(dòng)時(shí)間要求1～2分鐘。

    現需要兩臺變頻器驅動(dòng)兩臺電機帶動(dòng)負載刮板輸送機。

    3.2改造方案

                               圖2：改造一次圖

    1）主回路：采用一拖一方案。此方案中，兩臺CM3000高壓三電平變頻分別驅動(dòng)刮板機機頭部和機尾部的電機。

    2）控制回路：遠程監控方案，可以實(shí)時(shí)監控兩臺CM3000高壓三電平變頻的運行情況；可以同時(shí)進(jìn)行速度控制，啟?？刂埔约皡敌薷牡?。

    3）主從控制：是由完全獨立的兩臺變頻器通過(guò)主、從機的同步CAN總線(xiàn)通訊方式保證雙電機的轉速一致，功率平衡。兩臺電機中任意一臺都可作為主機，另一臺為從機。變頻器對電機的轉矩都能獨立控制，主從變頻器通訊采用CAN總線(xiàn)通訊，抗干擾能力強，通訊速率高。變頻器采用主從控制方案，主機采用轉速控制，從機采用轉矩控制。主機通過(guò)CAN通訊實(shí)時(shí)采集從機電流信號、電壓信號、頻率信號，實(shí)時(shí)調整給從機的轉矩信號，使主機和從機的功率達到完美的平衡。

    4）水冷方案：去離子水通過(guò)水-水熱交換方式與外部冷去水實(shí)現熱交換，外部冷卻水通過(guò)水泵驅動(dòng)經(jīng)水-風(fēng)換熱器或冷卻塔實(shí)現熱交換，最終將CM3000高壓三電平變頻殼體內部熱量傳遞到外部環(huán)境中。內部去離子冷卻水設有溫度、壓力、離子濃度與去離子水量保護功能。外部冷卻水設有溫度、壓力與液位保護功能。

                        圖3：水冷系統外圍設備圖

    3.3運行性能

    （1）CAN通訊

     主機的CAN2+、CAN2-對應連接從機的CAN2+、CAN2-。下圖為CM3000高壓三電平變頻運行時(shí)CAN通訊的波形。

                               圖4：CAN通訊實(shí)時(shí)波形圖

    （2）實(shí)際的電流波形

    測試相關(guān)波形的條件是主機用電流鉗，從機用普通探頭測的主板的IU測試點(diǎn)。剛開(kāi)始調試時(shí)波形，其中CH1黃色—主機電流，CH2綠色—從機磁鏈反饋，CH3紫色—從機辨識速度，CH4紅色—主機電流；

     a）CM3000高壓三電平變頻啟動(dòng)波形。

                               圖5：實(shí)時(shí)電流圖

    b）CM3000高壓三電平變頻停機時(shí)的波形。

                                圖6：停機時(shí)波形圖

    3．CM3000高壓三電平變頻帶載時(shí)運行波形。

                                圖7：運行波形圖

    四、CM3000高壓三電平變頻的優(yōu)勢

    4.1 磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)

                                 圖8：磁鏈閉環(huán)

    ◆原理及特點(diǎn)：基于電機d - q軸系數學(xué)方程，對電機的磁鏈、電流進(jìn)行解耦控制，具有磁鏈、

    電壓閉環(huán)特點(diǎn)。

   ◆優(yōu)勢：控制精度高，轉矩響應快，低頻特性好。

   ◆效果：刮板機低速運行平穩，抱閘磨損小，沖擊小。

    4.2 三電平技術(shù)

                                 圖9：三電平拓撲圖

    ◆原理：利用二極管中性點(diǎn)箝位的拓撲結構，使得每相輸出具有三個(gè)電平。

    ◆優(yōu)勢：輸出波形效果好，功率密度高，體積小。

    ◆效果：產(chǎn)品緊湊，諧波小，對外圍設備無(wú)干擾。

    4.3 先進(jìn)的中點(diǎn)電位平衡控制技術(shù)

                                圖10：中點(diǎn)控制比較

    ◆原理：通過(guò)檢測直流母線(xiàn)及中點(diǎn)的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調整，保證中點(diǎn)電位平衡。

    ◆優(yōu)勢：控制精度好，響應速度快。

    ◆效果：將中點(diǎn)電位波動(dòng)控制在一定范圍內。

    4.4 多電機同步技術(shù)

                                圖11： 電流波形圖

    ◆技術(shù)特點(diǎn)：采用主從+下垂電機同步控制技術(shù)，確保多臺電機負荷均衡分配。

    ◆優(yōu)勢：負荷均衡分配。

    ◆效果：對于多臺電機驅動(dòng)系統，可防止因電機負荷分配不均而造成電機損壞。

    4.5 先進(jìn)的控制硬件平臺

    ◆技術(shù)特點(diǎn)：匯川技術(shù)CM3000高壓三電平變頻以高速浮點(diǎn)DSP為控制核心，采用高速

DSP+RAM+FPGA作為核心處理器，其諧波指標遠小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器。

    ◆優(yōu)勢：(1)運算速度更快，控制更精準。(2)飛車(chē)啟動(dòng)功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接啟動(dòng)。(3)具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會(huì )導致重大事故。CM3000高壓三電平變頻在發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生。(4) 來(lái)電自啟動(dòng)及低電壓穿越功能，當現場(chǎng)電壓瞬間跌落或波動(dòng)時(shí)、系統可保證瞬間失電不跳閘，且在失電后5個(gè)周期內變頻器運行不受影響，超過(guò)5個(gè)周期變頻器自動(dòng)降額運行。該特點(diǎn)保證設備在電網(wǎng)波動(dòng)的情況下，最大限度實(shí)現連續生產(chǎn)，從而提高系統的生產(chǎn)效率。

    ◆效果：不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以拖動(dòng)普通的異步電機。

    4.6長(cháng)壽命設計

    ◆采用薄膜電容設計的產(chǎn)品：薄膜電容的壽命是電解電容壽命的10倍；采用MTBF設計理念，整機壽命長(cháng)；高容量及高電壓等級確保最少的使用數量，故障率低，體積小 。

    ◆其他廠(chǎng)家現狀：電解電容。

    ◆優(yōu)勢：壽命長(cháng)，可靠性好，易維護。

    4.7易于維護

    ◆采用模塊化設計理念：產(chǎn)品的驅動(dòng)部分采用相同的橋臂模塊設計，便于備件更換；系統拆裝簡(jiǎn)單，現場(chǎng)可維護。

    ◆其他廠(chǎng)家現狀：產(chǎn)品整體設計。

    ◆優(yōu)勢：現場(chǎng)容易維護。

    4.8 水冷設計

    ◆系統采用水冷設計方案：開(kāi)放式水冷結構； 可以采用普通水內循環(huán)或者普通水外循環(huán)兩種方案，多種防止結露設計。

    ◆其他廠(chǎng)家現狀：熱管方案。

    ◆優(yōu)勢：熱設計余量大，可靠性高。

    五、結束語(yǔ)

    CM3000高壓三電平變頻系列產(chǎn)品為蘇州匯川技術(shù)有限公司自主研發(fā)的成熟產(chǎn)品，此次陜西某煤礦現場(chǎng)的良好運行，也有力證明了我公司的磁鏈閉環(huán)控制技術(shù)、中性點(diǎn)鉗位三電平技術(shù)較同類(lèi)廠(chǎng)家的控制方式更先進(jìn)。投運一年多以來(lái)，高效率零故障，兩電機轉矩均分等良好的性能，已經(jīng)贏(yíng)得了用戶(hù)的口碑。

    蘇州匯川技術(shù)有限公司專(zhuān)注于工業(yè)自動(dòng)化控制產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售，定位服務(wù)于中高端設備制造商，以擁有自主知識產(chǎn)權的工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)為基礎，以快速為客戶(hù)提供個(gè)性化的解決方案為主要經(jīng)營(yíng)模式，實(shí)現企業(yè)價(jià)值與客戶(hù)價(jià)值共同成長(cháng)。匯川在全國擁有66個(gè)辦事處，236家授權代理商，90家全國聯(lián)保中心。