引言

　　國內現有大多數煤礦的大功率膠帶輸送機一般都采用工頻拖動(dòng)，較少使用變頻器驅動(dòng)。由于電機長(cháng)期工頻運行加之液力耦合器效率低，即使在液力耦合調速情況下，由于膠帶彈性伸縮性勢能的影響和液力耦合的調速精度，也很難做到前后兩臺高壓電機的同步，由于電機無(wú)法采用軟起、軟停，膠帶機啟動(dòng)時(shí)，在機械間產(chǎn)生劇烈沖擊，加速機械的磨損，甚至造成膠帶坼裂等現象，膠帶機的磨損、液力耦合器的維護頻度增大等問(wèn)題更是給企業(yè)帶來(lái)較大數額的維護費用問(wèn)題。這對于現在創(chuàng )建節能、節支的社會(huì )環(huán)境是不相符合的。對煤礦企業(yè)的膠帶輸送機進(jìn)行變頻改造，為社會(huì )節約能源、為企業(yè)增加效益都具有非?，F實(shí)的經(jīng)濟意義和社會(huì )意義。

　　1.概況

　　某露天煤礦新出入溝帶式輸送機依啟動(dòng)順序由M303、M304、M305組成，長(cháng)度分別是300米、100米、780米，來(lái)料點(diǎn)有三個(gè)，均落于M305上，三條輸送機均使用變頻器啟動(dòng)、停機，M305電機功率為2*710KW。

　　2.膠帶機的工作原理和特點(diǎn)

　　膠帶機通過(guò)驅動(dòng)輪鼓，靠摩擦牽引膠帶運動(dòng)，膠帶通過(guò)張力變形和摩擦力帶動(dòng)物體在支撐輥輪上運動(dòng)。膠帶是彈性?xún)δ懿牧?，在膠帶機停止和運行時(shí)都儲存有大量勢能，這就決定了膠帶機的啟動(dòng)時(shí)應該采用軟啟動(dòng)的方式。國內大多數煤礦采用液力耦合器來(lái)實(shí)現膠帶機的軟啟動(dòng)，在啟動(dòng)時(shí)調整液力耦合器的機械效率為零，使電機空載啟動(dòng)。

　　采用液力耦合器軟起膠帶機時(shí)，由于調速范圍窄，低速時(shí)啟動(dòng)時(shí)間短、加載力大，同時(shí)前后雙機驅動(dòng)同一膠帶工作時(shí)難以真正解決負載功率和膠帶彈性勢能功率的分配和同步問(wèn)題，容易引起皮帶斷裂和老化，要求皮帶的強度高。加之液力耦合器長(cháng)時(shí)間工作會(huì )引起其內部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率降低等情況發(fā)生，不僅會(huì )加大維護難度和成本，還污染了環(huán)境。

　　3.負載參數及高壓變頻器型號

　　根據現場(chǎng)負載性質(zhì)和現場(chǎng)設備運行參數，高壓變頻器型號配置稍大一些選取，選擇6KV-950KVA高壓變頻器拖動(dòng)，電壓源型，多功率模塊串聯(lián)，交直交、高高方式。

　　一臺電機配一臺高壓變頻器，接入6KV主動(dòng)力電源系統中，變頻器的運行方式由中央控制室系統集中控制。

　　配套電機參數：

　　電動(dòng)機名稱(chēng)：YPT-500

　　額定功率(KW)：710

　　額定電流(A)：83

　　額定電壓(KV)：6

　　額定轉速(r/min)：1495

　　功率因數：0.84

　　臺數：2

　　4.高壓變頻器主回路示意圖

 圖1 主回路示意圖

　　注意：a. QS1、QS2為主機開(kāi)關(guān)柜高壓隔離開(kāi)關(guān)，控制M1電機運行; QS3、QS4為從機開(kāi)關(guān)柜高壓隔離開(kāi)關(guān)控制M2電機運行。

　　b. QS為單刀隔離開(kāi)關(guān)。

　　5.控制系統方框圖

圖2 控制系統方框圖

　　雙電機同步運行過(guò)程：

　　由中控室系統操作員通過(guò)DCS與雙機同步變頻器主機PLC通訊，傳送轉速運行需要的給定頻率、啟動(dòng)、停止等信息操作主機;雙機同步主機接收到信息后，實(shí)時(shí)對從機發(fā)出相應的給定頻率或控制信號，從機反饋信息，并響應和執行主機的命令;

　　膠帶輸送機前后主、從電機在運行過(guò)程中隨時(shí)會(huì )受到膠帶本身張力的影響，這時(shí)候系統就出現工況引起的功率不對稱(chēng)分配，某臺電機出力嚴重超過(guò)電動(dòng)機的額定功率，而另一臺電機則會(huì )過(guò)度輕載運行。主、從電機非同步運行很造成的膠帶坼裂。況且長(cháng)期運行后，超載運行的電機也會(huì )出現過(guò)熱、過(guò)載保護、過(guò)流現象或停機等事故發(fā)生。為避免功率分配的不對稱(chēng)出現，安邦信高壓變頻器可將非同步狀態(tài)下輸出功率較大電機的超載功率部分(超過(guò)自身額定功率的那部分功率)即時(shí)自動(dòng)轉移到輕載電機上，實(shí)時(shí)保持前后主、從電機功率均衡對稱(chēng)分配，動(dòng)態(tài)自動(dòng)調整，依此實(shí)現主機變頻器和從機變頻器的同步運轉，達到膠帶輸送機機首、尾雙電動(dòng)機的同步運行。

　　主、從機之間可以對重故障、輕故障、輸出頻率等狀態(tài)實(shí)時(shí)處理，協(xié)調一致，實(shí)現主、從電動(dòng)機之間的同步運轉。同時(shí)，主、從機變頻器也可以通過(guò)用戶(hù)接口實(shí)時(shí)將各運行狀態(tài)信息、故障信息等傳送到中控室。

　　當變頻器運行過(guò)程中，主機功率模塊出現輕故障時(shí)，主、從機變頻器之間相互通訊，主機變頻器對發(fā)生故障的功率模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動(dòng)處理，旁路后降低適當轉速仍舊運行，同時(shí)主機實(shí)時(shí)對從機變頻器發(fā)出通訊指令，要求從機變頻器按照主機變頻器的當前運行轉速運轉，從機變頻器即時(shí)響應主機變頻器的發(fā)出的指令，自動(dòng)將當前的輸出頻率調整到和主機變頻器輸出轉速一致的狀態(tài)，即實(shí)現了主、從電動(dòng)機的運行轉速同步的效果。

　　同樣，在從機變頻器出現輕故障，自動(dòng)旁路、降低適當轉速后運行，從機變頻器即時(shí)對主機變頻器發(fā)出輕故障通訊信息，主機變頻器根據從機變頻器發(fā)出的信息，即時(shí)分析、處理，然后按照從機的發(fā)出的信息請求，自動(dòng)調整當前的輸出轉速，使其保持與從機變頻器運行速度實(shí)時(shí)保持一致。

　　綜上述，雙機通訊處理系統對主、從變頻器系統協(xié)調和控制，相互通訊、互傳信息。DCS系統把運行頻率發(fā)送到通訊系統，通訊系統將給定轉速傳送主機，再由主機通訊傳送到從機。當主機有輕故障時(shí)從機會(huì )跟隨主機會(huì )實(shí)時(shí)采取相應處理措施，同樣當從機有輕故障時(shí)主機也會(huì )實(shí)時(shí)跟隨主機采取響應處理措施，同時(shí)借助于雙電動(dòng)機功率檢測處理系統，實(shí)時(shí)自動(dòng)調整主、從電機同步運行，真正實(shí)現主機和從機轉速的同步運轉。

　　6.高壓變頻器的系統控制和原理

　　高壓變頻系統具有遠程集中控制室系統控制及就地手動(dòng)控制功能，主變頻器的頻率控制和運行指令是由集控系統發(fā)出給定的，主機接受來(lái)自于集控系統的指令后，即時(shí)對從機發(fā)出相關(guān)控制及運行指令，要求從機服從和執行于主機的發(fā)出的各種指令，同步于主機工作。最終M305輸送機執 行了集中控制室系統發(fā)出的所有給定命令進(jìn)行工作。雙高壓變頻器根據集中控制室的指令拖動(dòng)電機 啟動(dòng)、增速、減速、及停止。主、從變頻器系統均有各自的負載動(dòng)態(tài)功率信號采集，系統將采集到 的各系統功率信息即時(shí)處理，主、從閉環(huán)分配，從而做到膠帶張力恒定、穩速運行，保證膠帶機可靠運行。安邦信低頻大轉矩型雙電機同步運行高壓變頻器可以保證電機在低速啟動(dòng)時(shí)平穩啟動(dòng)、穩定加速運行。高壓變頻器系統組成一般為：旁路柜、變壓器柜、功率柜、控制柜四部分組成。旁路柜也是開(kāi)關(guān)柜，里面由高壓隔離開(kāi)關(guān)、PT、CT等開(kāi)關(guān)或檢測元器件組成;變壓器柜主要由移相整流變壓 器組成;功率柜由功率單元組成，為電機提供電源的逆變輸出環(huán)節的主要組成部分;控制柜是由整個(gè)變頻系統的電氣控制、數據通訊、數據采樣與處理、中央集控系統的控制指令接口等部分組成。 同時(shí)控制電源系統三級備用、自動(dòng)投切功能，保證控制系統運行的高可靠、高穩定性。

　　6.1輸入變壓器

　　AMB-HVI系列高壓變頻器的輸入側變壓器采用移相整流變壓器，其電氣原理圖如圖3所示。變壓器原邊繞組為6KV，副邊共十八個(gè)繞組分為三相。每相有6個(gè)次級繞組，按照一定移相角度依次繞制而成，然后將各次級繞組連接到各功率單元上，這種逐次移相式接法可以有效地減小各齊次諧波含量，此外，采用移相變壓器進(jìn)行隔離輸出，使得輸入側諧波控制在4%以?xún)?，完全低于國家規定的標準，不?huì )對電網(wǎng)造成干擾。

圖3 移相整流變壓器電氣原理圖　　

 圖4移相式變頻系統主電路拓撲圖

　　6.2功率單元

　　AMB-HVI系列高壓變頻器每相由六個(gè)功率單元串聯(lián)而成，各位置的功率單元間具有完全的互換性。每個(gè)功率單元為三相輸入、H橋輸出，交直交、PWM電壓源型逆變結構。單元具有缺相、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、短路、通訊等保護或功能。其結構如圖5所示。通過(guò)中央處理器控制各IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。每個(gè)功率單元輸出電壓為580V，串聯(lián)后輸出相電壓3480V，線(xiàn)電壓達到6KV。

圖5 變頻器功率單元圖

　　AMB-HVI系列高壓變頻器輸出采用高-高、多重化、多功率單元堆波、串聯(lián)疊加技術(shù)，各功率單元均由輸入隔離變壓器的次級隔離繞組分別供電，同一相的功率單元輸出相同幅值的基波電壓，各功率單元輸入之間互相錯開(kāi)一定電角度，實(shí)現輸入多重化，輸出多電平PWM電壓，使得輸出電壓接近正弦波。輸出電壓的每個(gè)電平臺階只有單元直流母線(xiàn)電壓大小，所以dv/dt很小，輸出相電壓為13電平，線(xiàn)電壓為25電平。多電平數和高開(kāi)關(guān)頻率有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，網(wǎng)側功率因數均可保持在0.95以上，因此不需要配備改善功率因數的功率因數補償器或濾波器，就可以實(shí)現完美的正弦波輸出。其輸出波形如圖6所示。

圖6 高壓變頻器的輸出電壓和電流波形

　　6.3功率模塊IGBT驅動(dòng)保護措施

　　在A(yíng)MB-HVI變頻器的功率單元中，使用高性能、智能化的專(zhuān)用IGBT驅動(dòng)模塊對主控系統輸出的PWM控制信號進(jìn)行隔離、緩沖處理后，使弱電信號驅動(dòng)高壓回路中的大功率IGBT器件輸出電壓。

　　單元具有短路、過(guò)壓、欠壓監測和保護等功能，當負載或功率單元一旦出現短路、過(guò)流、欠壓等等故障時(shí)，驅動(dòng)模塊將故障信號上傳到單元CPU系統，主控系統的微處理器即時(shí)根據故障類(lèi)型進(jìn)行辨別處理后，再次判斷故障的真實(shí)性，對虛假故障(干擾信號)進(jìn)行窄脈沖濾除處理，單元CPU系統將故障信號進(jìn)行即時(shí)分析和處理后，采取報警停機或繼續運行命令。此項功能更加增加了功率模塊的抗干擾能力，增加了設備運行的可靠程度，保護變頻器與設備系統的安全，不至于造成更大的故障和更大的經(jīng)濟損失。

　　7.綜述

　　該變頻控制系統運行平穩、啟動(dòng)轉矩大、調速范圍廣、正弦波輸出、功率因數高等特點(diǎn)，總體諧波畸變THD小于4%，對電網(wǎng)諧波污染小，滿(mǎn)足IEEE519-1992的諧波抑制標準，不必采用功率因數補償裝置，對原系統高壓電機和高壓電纜沒(méi)有特殊要求，可以使用普通的高壓異步電機。