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摘要：文章介绍了矿用隔爆兼本安型四象限变频器的工作原理及在下运强力胶带输送机拖动系统中的作用，并对四象限变频器对电网的影响及谐波治理进行了分析。
关键词：下运强力胶带输送机；矿用隔爆兼本安型四象限变频器
强力皮带输送机是现代化煤矿高产高效的主要运输设备，但在皮带机下运时需要系统提供长时间恒定的负力矩时，以前的拖动系统并没有一个良好的技术方案来解决，在强力胶带输送机多电机多滚筒的拖动系统中，拖动方式以直流拖动、交流绕线电机串级调速拖动、交流绕线电机转子串电阻调速拖动等为主，显然较为落后，也很难实现防爆要求。针对下运强力胶带输送机对拖动技术的特殊要求，采用隔爆兼本安型四象限变频拖动系统满足以下要求
1. 起动平稳，可满载起动；
2. 调速方便，可实现运煤、验带等多种速度；
3. 负力提升时能自动进入电气制动运行状态，再生能量通过回馈电网实现电气制动；
4. 处理事故或检修时可逆运行；
5. 必须设置可靠的各种安全保护装置；
6. 维护量小。
一、隔爆兼本安型四象限变频四象限变频系统性能简介
由于直流电机及绕线电机在维护方面较为复杂，人们一直在寻求符合满足下运强力胶带输送机传动要求的交流鼠笼电机的大功率驱动系统，磁通矢量控制的隔爆变频器的出现，为煤矿提供了符合强力胶带输送机拖动要求的最佳拖动设备。
下运强力胶带输送机驱动最关键的是拖动系统，而变频器又是拖动系统的核心，矿用隔爆兼本安型四象限变频采用无速度传感器磁通矢量控制的变频器拖动系统。
全数字无速度传感器矢量控制，使系统调速范围宽，调速精度高，变频器在低频运行时，也保证有100%额定力矩输出。最大转矩为额定转矩的2倍，0.5HZ即可达到1.7倍以上的起动转矩。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 （励磁电流） 和产生转矩的电流分量 （转矩电流） 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。新型矢量控制变频器具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。
1.良好的散热功能：
通用变频器在国内外已广泛应用，但由于大功率器件的散热问题一直未能得到解决而没有在煤矿井下得到广泛的应用，矿用隔爆兼本安型四象限变频器采用真空热管散热技术，很好的解决了大功率器件的散热问题，近几年来已在煤矿井下大量使用，效果很好。
2.优越的变频软起动、软停止特性：
软起动、软停止特性是胶带输送机驱动系统的首选目标。胶带本身是一个弹性体，在带负载运行时又具备极大的惯性，胶带输送机起动加速度与停车减速度的值越大，在皮带上储存的能量就越大，而释放这些能量就会对输送机机械系统产生极大的冲击。矿用隔爆兼本安型四象限变频器的起动、停止时间是任意可调的，也就是说起动时的加速度和停车时的减速度任意可调，同时为了平稳起动，还可匹配其具备的S型加减速时间，这样可将胶带输送机起停时产生的冲击减至最小。
3.平稳的重载起动：
胶带输送机在输煤过程中任意一刻都可能立即停车再重新起动，必须考虑“重载起动”能力。另外由于采用无速度传感器矢量控制方式，低频运转可输出1.5--2倍额定转矩，因此最适于“重载起动”。重载起动起动特性见下图。
4.采用AFE自换向变频新技术，自动回馈制动：
网侧变频器采用单独的CPU实行PID控制，对网侧交流电流的大小和相位进行实时检测并控制，使系统的功率因数总是接近于1。当系统处于负力运行时进入发电状态时能量从逆变器返回到直流母线，系统立即控制交流输入电流的相位与电源电压相位相反，能量回馈至电网，发电反馈，节省电能，当系统处于负力运行时，电动机变为发电机状态运行，此时系统能自动将电动机发出的再生能量反馈至供电电网，与原电阻调速系统相比，可节省电能明显。同时，制动力矩增大，保证了系统处于负力运行时的安全性。
5.网侧变频器采用PWM斩波调制，使输入电流波形为正弦波，大大减小对电网的谐波污染，总谐波电流含量<5%。
6.具备变频器谐波治理系统。
通用变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，电流波形具有以下高次谐波：6k +/- 1，（ k=1，2，3…），谐波会干扰电网上其他的用电设备，特别是比较精密的设备；引起的额外的损耗须从电网取得，同一设备需功率加大，另外谐波会带来更高的电压尖刺，对设备的绝缘不利；增加供电变压器的损耗；使无功补偿电容更热。
无论是采用串入交流电抗器或直流电抗器，还是采用多重化整流技术，都无法从根本上消除谐波。矿用隔爆兼本安型四象限变频器采用AFE整流回馈系统，输入电流波形为正弦波，从理论上可彻底消除谐波，由于受检测信号的精度和控制精度的影响，在实际应用中仍有少量谐波，于是，匹配各类谐波抑制装置后可将谐波含量降至最小，完全符合国际标准。 发电时输入电流波形
发电时输入电压波形
7.验带功能：
煤矿的生产运输系统多为以胶带输送机为主，运输系统检修维护的主要工作是胶带输送机的检修维护，低速验带功能是胶带输送机的检修的主要要求。变频调速系统为无级调速的交流传动系统，在空载验带状态下，变频器可调整电机工作于5%-100%额定带速范围内的任意带速长期工作。
8.可任意调整的加、减速度：
强力皮带输送机电力拖动的工作原理，要求起动平稳，并可满载起动。为减少机械冲击与电机容量，要求加、减速度要小于0.1m/s2；同时为防止起动时瞬时打滑，要求等加速起动。
变频器的加减时间可分别任意调整（0.1-9999秒），故加减速度可以根据需要任意设定，满足强力皮带输送机电力拖动的特殊要求。
9.完善的保护和故障自诊断功能：
变频器具有完善的保护功能，以保障电气设备的正常运行。如：过压、欠压、过流、过热、短路、接地、三相不平衡、缺相等保护功能，不仅能保留10次故障代码，还能保存相应的故障参数。
10.针对煤矿采取特殊措施：
针对矿山应用的特殊环境，隔爆变频器除了在箱体结构方面采取了相应的防爆、防潮、防滴水措施外，在主回路方面尽量加大爬电距离与电气间隙。
二、PLC控制系统
下运强力胶带输送机系统多采用多台电机驱动，为了保证系统内的同步性能，首先要求每台台电机应同步启停，检测电机的运行、故障反馈，检测电机的输出电流、频率，在某一电机或驱动系统故障时能系统停机。
同时为了使系统更好的工作，还应尽量保证每台电机之间的功率平衡，通过检测每台变频器的输出电流，由PLC控制系统调整变频器的速度给定，自动调整电机之间的微小速度差，实现多驱动电机之间形成了一个动态的功率平衡系统。
在正常停车时，通过减小变频器设定频率，电机减速，系统首先电气制动，当速度减小到设定的速度时，控制盘形闸闭合，机械制动，保证可靠停车。
在现场应用过程中，尤其是检修时，有时需要胶带输送机反转，可以通过输出反转命令，改变变频器中IGBT的逆变时3相输出的顺序，方便地实现胶带输送机的可逆运行。
参考文献：
[1] 王崇林，李长录，谭国俊。煤矿供电与电气控制[M]， 徐州：中国矿业大学出版社，2008
[2] 钢铁企业电力设计手册编委会。钢铁企业电力设计手册[K]， 北京：冶金工业出版社，1996
[3] 电气工程师设计手册第二版编委会。电气工程师设计手册[K]， 北京：机械工业出版社，2000
[4] 徐甫荣。高压变频调速技术工程实践[M]， 北京：中国电力出版社，2012
[5] 秦曾煌。电工学[M]， 北京：高等教育出版社，1999
关键词：下运强力胶带输送机；矿用隔爆兼本安型四象限变频器
强力皮带输送机是现代化煤矿高产高效的主要运输设备，但在皮带机下运时需要系统提供长时间恒定的负力矩时，以前的拖动系统并没有一个良好的技术方案来解决，在强力胶带输送机多电机多滚筒的拖动系统中，拖动方式以直流拖动、交流绕线电机串级调速拖动、交流绕线电机转子串电阻调速拖动等为主，显然较为落后，也很难实现防爆要求。针对下运强力胶带输送机对拖动技术的特殊要求，采用隔爆兼本安型四象限变频拖动系统满足以下要求
1. 起动平稳，可满载起动；
2. 调速方便，可实现运煤、验带等多种速度；
3. 负力提升时能自动进入电气制动运行状态，再生能量通过回馈电网实现电气制动；
4. 处理事故或检修时可逆运行；
5. 必须设置可靠的各种安全保护装置；
6. 维护量小。
一、隔爆兼本安型四象限变频四象限变频系统性能简介
由于直流电机及绕线电机在维护方面较为复杂，人们一直在寻求符合满足下运强力胶带输送机传动要求的交流鼠笼电机的大功率驱动系统，磁通矢量控制的隔爆变频器的出现，为煤矿提供了符合强力胶带输送机拖动要求的最佳拖动设备。
下运强力胶带输送机驱动最关键的是拖动系统，而变频器又是拖动系统的核心，矿用隔爆兼本安型四象限变频采用无速度传感器磁通矢量控制的变频器拖动系统。
全数字无速度传感器矢量控制，使系统调速范围宽，调速精度高，变频器在低频运行时，也保证有100%额定力矩输出。最大转矩为额定转矩的2倍，0.5HZ即可达到1.7倍以上的起动转矩。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 （励磁电流） 和产生转矩的电流分量 （转矩电流） 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上。新型矢量控制变频器具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。
1.良好的散热功能：
通用变频器在国内外已广泛应用，但由于大功率器件的散热问题一直未能得到解决而没有在煤矿井下得到广泛的应用，矿用隔爆兼本安型四象限变频器采用真空热管散热技术，很好的解决了大功率器件的散热问题，近几年来已在煤矿井下大量使用，效果很好。
2.优越的变频软起动、软停止特性：
软起动、软停止特性是胶带输送机驱动系统的首选目标。胶带本身是一个弹性体，在带负载运行时又具备极大的惯性，胶带输送机起动加速度与停车减速度的值越大，在皮带上储存的能量就越大，而释放这些能量就会对输送机机械系统产生极大的冲击。矿用隔爆兼本安型四象限变频器的起动、停止时间是任意可调的，也就是说起动时的加速度和停车时的减速度任意可调，同时为了平稳起动，还可匹配其具备的S型加减速时间，这样可将胶带输送机起停时产生的冲击减至最小。
3.平稳的重载起动：
胶带输送机在输煤过程中任意一刻都可能立即停车再重新起动，必须考虑“重载起动”能力。另外由于采用无速度传感器矢量控制方式，低频运转可输出1.5--2倍额定转矩，因此最适于“重载起动”。重载起动起动特性见下图。
4.采用AFE自换向变频新技术，自动回馈制动：
网侧变频器采用单独的CPU实行PID控制，对网侧交流电流的大小和相位进行实时检测并控制，使系统的功率因数总是接近于1。当系统处于负力运行时进入发电状态时能量从逆变器返回到直流母线，系统立即控制交流输入电流的相位与电源电压相位相反，能量回馈至电网，发电反馈，节省电能，当系统处于负力运行时，电动机变为发电机状态运行，此时系统能自动将电动机发出的再生能量反馈至供电电网，与原电阻调速系统相比，可节省电能明显。同时，制动力矩增大，保证了系统处于负力运行时的安全性。
5.网侧变频器采用PWM斩波调制，使输入电流波形为正弦波，大大减小对电网的谐波污染，总谐波电流含量<5%。
6.具备变频器谐波治理系统。
通用变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，电流波形具有以下高次谐波：6k +/- 1，（ k=1，2，3…），谐波会干扰电网上其他的用电设备，特别是比较精密的设备；引起的额外的损耗须从电网取得，同一设备需功率加大，另外谐波会带来更高的电压尖刺，对设备的绝缘不利；增加供电变压器的损耗；使无功补偿电容更热。
无论是采用串入交流电抗器或直流电抗器，还是采用多重化整流技术，都无法从根本上消除谐波。矿用隔爆兼本安型四象限变频器采用AFE整流回馈系统，输入电流波形为正弦波，从理论上可彻底消除谐波，由于受检测信号的精度和控制精度的影响，在实际应用中仍有少量谐波，于是，匹配各类谐波抑制装置后可将谐波含量降至最小，完全符合国际标准。 发电时输入电流波形
发电时输入电压波形
7.验带功能：
煤矿的生产运输系统多为以胶带输送机为主，运输系统检修维护的主要工作是胶带输送机的检修维护，低速验带功能是胶带输送机的检修的主要要求。变频调速系统为无级调速的交流传动系统，在空载验带状态下，变频器可调整电机工作于5%-100%额定带速范围内的任意带速长期工作。
8.可任意调整的加、减速度：
强力皮带输送机电力拖动的工作原理，要求起动平稳，并可满载起动。为减少机械冲击与电机容量，要求加、减速度要小于0.1m/s2；同时为防止起动时瞬时打滑，要求等加速起动。
变频器的加减时间可分别任意调整（0.1-9999秒），故加减速度可以根据需要任意设定，满足强力皮带输送机电力拖动的特殊要求。
9.完善的保护和故障自诊断功能：
变频器具有完善的保护功能，以保障电气设备的正常运行。如：过压、欠压、过流、过热、短路、接地、三相不平衡、缺相等保护功能，不仅能保留10次故障代码，还能保存相应的故障参数。
10.针对煤矿采取特殊措施：
针对矿山应用的特殊环境，隔爆变频器除了在箱体结构方面采取了相应的防爆、防潮、防滴水措施外，在主回路方面尽量加大爬电距离与电气间隙。
二、PLC控制系统
下运强力胶带输送机系统多采用多台电机驱动，为了保证系统内的同步性能，首先要求每台台电机应同步启停，检测电机的运行、故障反馈，检测电机的输出电流、频率，在某一电机或驱动系统故障时能系统停机。
同时为了使系统更好的工作，还应尽量保证每台电机之间的功率平衡，通过检测每台变频器的输出电流，由PLC控制系统调整变频器的速度给定，自动调整电机之间的微小速度差，实现多驱动电机之间形成了一个动态的功率平衡系统。
在正常停车时，通过减小变频器设定频率，电机减速，系统首先电气制动，当速度减小到设定的速度时，控制盘形闸闭合，机械制动，保证可靠停车。
在现场应用过程中，尤其是检修时，有时需要胶带输送机反转，可以通过输出反转命令，改变变频器中IGBT的逆变时3相输出的顺序，方便地实现胶带输送机的可逆运行。
参考文献：
[1] 王崇林，李长录，谭国俊。煤矿供电与电气控制[M]， 徐州：中国矿业大学出版社，2008
[2] 钢铁企业电力设计手册编委会。钢铁企业电力设计手册[K]， 北京：冶金工业出版社，1996
[3] 电气工程师设计手册第二版编委会。电气工程师设计手册[K]， 北京：机械工业出版社，2000
[4] 徐甫荣。高压变频调速技术工程实践[M]， 北京：中国电力出版社，2012
[5] 秦曾煌。电工学[M]， 北京：高等教育出版社，1999