摘要：新型永磁材料的出現大大促進(jìn)了永磁同步電機的發(fā)展，其優(yōu)越的性能和節能效果，已廣泛應用到多個(gè)領(lǐng)域，尤其是高電量用戶(hù)的廠(chǎng)礦企業(yè)。英威騰Goodrive3000系列中壓變頻器作為永磁同步電機驅動(dòng)在煤礦井下帶式輸送機有著(zhù)廣泛的應用和良好的口碑。

關(guān)鍵詞：Goodrive3000系列；三電平；變頻器；永磁同步電機；皮帶機

1 引言

永磁同步電機和異步電動(dòng)機相比，由于不需要無(wú)功勵磁電流，因而效率高、功率因數高、力矩慣量比大、定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子參數可測、控制性能好。

目前煤礦企業(yè)主運輸多以膠帶運輸機為主，傳統的配套模式為異步電動(dòng)機驅動(dòng)減速器，設備體積龐大，占用巷道空間，且減速器所用齒輪油價(jià)格高，用量大，后期維護量大，污染大。使用永磁同步電機直驅方式，提高了效率，淘汰了減速機等中間環(huán)節，利于企業(yè)的降本增效。

圖1 輸送機用永磁直驅系統

永磁同步電動(dòng)機不能采用降壓?jiǎn)?dòng)方式。因為在降壓供電條件下，其異步啟動(dòng)轉矩下降比異步電動(dòng)機大，會(huì )造成啟動(dòng)困難。同步電機的起動(dòng)方法主要有異步起動(dòng)法和變頻起動(dòng)法。異步起動(dòng)使永磁同步電機加工工藝更為復雜，機械強度更差，而變頻起動(dòng)對變頻器的性能和質(zhì)量有較高的要求。Goodrive3000系列中壓變頻器是英威騰公司自主研發(fā)的三電平同步異步電機控制一體變頻器，廣泛應用于煤礦行業(yè)永磁同步電機的驅動(dòng)控制，以?xún)?yōu)異的性能和穩定性得到了客戶(hù)的認可。

2 應用現場(chǎng)設備及運行工況分析

2.1 項目簡(jiǎn)介

位于鄂爾多斯的某大型煤礦，井田東西長(cháng)10km，南北寬5.6km，面積43.51km²。煤礦采用斜井開(kāi)拓方式，設計生產(chǎn)能力500萬(wàn)噸/年的現代化礦井。該礦井新建南郊皮帶為永磁直驅?zhuān)C的永磁電機使用英威騰Goodrive3000系列中壓變頻器驅動(dòng)。

2.2 現場(chǎng)設備參數（如表1所示）

表1 電機技術(shù)參數

2.3 現場(chǎng)工況示意

現場(chǎng)包含一臺控制箱，受控設備為3臺BPJ-800/1140礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器（GD3000-01-800G-12機芯）、3臺同步機及配套水冷設備，被控于皮帶保護箱。應用于該煤礦南郊主運皮帶，實(shí)現3臺變頻器的同步運行及集中管理和電機水冷系統的監控。三臺變頻器通過(guò)CAN通訊進(jìn)行主從控制，控制箱內使用高性能PLC與3臺變頻器進(jìn)行DP通訊，可以實(shí)時(shí)監控變頻器狀態(tài)，并可以通過(guò)控制箱調整變頻器主從機的參數設置。

圖2 永磁同步直驅皮帶機驅動(dòng)方案

3 變頻器配置方案

3.1 Goodrive3000系列中壓變頻器特性

（1）技術(shù)創(chuàng )新

英威騰Goodrive3000系列變頻器是一款高性能通用矢量變頻器，采用三電平的硬件拓撲結構，可用來(lái)控制交流異步感應電機和永磁同步電機，可以滿(mǎn)足不同電機的工作模式。同時(shí)，該產(chǎn)品采用優(yōu)異的矢量控制技術(shù)，功能更優(yōu)化，應用更靈活，性能更穩定。

·Goodrive3000系列中壓變頻器，逆變采用三電平拓撲結構，使用較低耐壓的功率器件，直接應用于更高電壓等級的主回路拓撲技術(shù)，可避免器件串聯(lián)引起的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)?wèn)題，同時(shí)降低輸出諧波和du/dt；

·采用高速DSP+FPGA雙核心處理器，具備更快的運算速度，更高的控制精度；采用優(yōu)異的矢量控制技術(shù)，功能更優(yōu)化，應用更靈活，性能更穩定；

·采用定制疊層銅排，減小線(xiàn)路雜散電感，緊湊化模塊化設計，體積小且易維護；

·母線(xiàn)采用薄膜電容設計，耐壓能力高，絕緣電阻極高，耐紋波能力強，可靠性高，損耗極低，發(fā)熱少，整機壽命長(cháng)；

·采用主從控制策略，實(shí)現多機功率平衡；

·集同步機、異步機控制于一體，兼容性高；

·電機運行更加平穩，減少因輸出波形非正弦造成的機械振動(dòng)，緩解軸電流對電機軸承的電腐蝕，延長(cháng)電機壽命；

·輸出諧波顯著(zhù)降低，大幅仰制變頻器引起的傳導，輻射干擾，具備優(yōu)良EMC特性。

3.2 DP控制方案

配置EC-TX103通訊卡，將變頻器連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )。在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò )上，變頻器為從屬設備。通過(guò)EC-TX103通訊卡，可以完成如下功能：

·向變頻器發(fā)出控制命令（啟動(dòng)、停止、故障）；

·給變頻器發(fā)送速度或轉矩給定信號；

·從變頻器中讀取狀態(tài)值和實(shí)際值；

·修改變頻器參數值。

3.3 變頻器選型

結合現場(chǎng)實(shí)際，選型如表2所示：

表2

4 客戶(hù)現場(chǎng)具體使用效果

4.1 現場(chǎng)使用效果

該煤礦三套變頻器使用英威騰Goodrive3000系列產(chǎn)品，現已調試完畢，運行安全可靠。從運行測試效果來(lái)看，系統啟動(dòng)電流低、啟動(dòng)轉矩大，在投入運行至今，系統可靠性高，操作簡(jiǎn)單，且能夠與礦井自動(dòng)化系統相接，提高了生產(chǎn)效率。真正實(shí)現了皮帶機的重載啟停和功率平衡。

·實(shí)現了皮帶運輸機系統的軟起動(dòng)、軟停止；

·解決帶式輸送機重載軟啟動(dòng)，減少機械和電氣沖擊；

·降低設備的維護量；

·變頻器可調整電機工作于5％~100％額定帶速范圍內的任意帶速長(cháng)期工作，提高了皮帶檢修效率；

·實(shí)現三臺電機的動(dòng)態(tài)功率平衡；

·實(shí)現永磁電機直接驅動(dòng)皮帶滾筒，節省減速箱、液力耦合器等設備，降低系統成本并提高可靠性。

4.2 運行效果

現場(chǎng)實(shí)測設備運行波形如圖3所示。

圖3 現場(chǎng)變頻器運行電流

4.3 結語(yǔ)

綜上所述，英威騰Goodrive3000系列中壓變頻器驅動(dòng)永磁同步電機完全滿(mǎn)足煤礦井下皮帶機系統負載控制要求，在皮帶機應用中表現出很好的調速性能、高可靠性、高啟動(dòng)轉矩、良好的功率平衡、極低的維護量和維護成本等優(yōu)勢，提高了煤礦井下運輸系統的自動(dòng)化程度。同時(shí)在國家大力提倡節能減排的大環(huán)境中，大力推進(jìn)變頻器及永磁同步電機在皮帶機上的應用具有積極的社會(huì )意義和現實(shí)意義。

隨著(zhù)對行業(yè)的進(jìn)一步深入了解，英威騰將會(huì )推出更多性能優(yōu)越的產(chǎn)品，為礦山行業(yè)的客戶(hù)提供更安全可靠、值得信賴(lài)的解決方案，助力客戶(hù)創(chuàng )造更大的價(jià)值。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年6月刊