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【摘要】文章首先对变频器进行了简单的介绍，其次对煤矿胶带运输机的运行的相关问题进行了阐述，最后结合实例就变频器在矿井胶带机输送系统中的应用进行了探讨。
【关键词】变频器；煤矿胶带机；应用
中图分类号：X752文献标识码：A文章编号：
引言
我国是世界上第一大产煤国，随着煤矿设备大型化和自动化水平不断较高，电费所占比例也不断增加，要降低成本，应利用变频器节约能量。变频器是把工频电源变换成各种频率的交流电源的设备，目前，变频器在煤矿皮带机上得到了广泛的应用，它的主要作用如下：
（1）软起动和软停车。利用变频器对皮带机驱动，可以通过电机的慢速启动，带动皮带机缓慢启动，将皮带内部存储的能量慢慢释放，使皮带机启动过程中形成的张力很小，对皮带机几乎不造成危害；停车时的减速度任意可调，这样可将皮带机停车时产生的冲击减少至最小。
（2）降低带强。采用变频器驱动后，由于变频器的启动时间可调，皮带机的启动时间延长，大大降低了对皮带带强的要求。
（3）功率平衡。煤矿皮带机系统多为双滚筒驱动或多滚筒驱动，一般是采用一拖一控制，当采用多电机驱动时，采用主从控制，实现功率平衡，保证电机同步性能。
（4）降低设备的维护量。变频器是一种电子器件的集成，它将机械设备的寿命转化为电子的寿命，降低了设备的维护量。在实际应用过程中，由于降低了起动冲击，皮带机机械系统的设备损耗也随之降低，减少了皮带机机械部分的检修量，尤其托辊及滚筒的寿命成几倍的延长。
（5）节能。通常情况下，煤矿用电机设计富余量大，大部分时间不能满载运行，当轻载或者空载时，常常造成不必要的电能损失。此外，由于煤矿通常离变电站距离较远，不同时段电压波动较大，利用变频器的自动稳压功能，可以达到节能的效果。由于煤矿的特殊条件，有必要针对变频器在煤矿胶带机拖动中的应用展开研究。
1变频器简介
把直流电转换为交流电的装置被称为逆变器,而把直流电源逆变为频率、电压均可调的逆变器即为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波,主要用于三相异步电动机的速度调整,故又被叫做变频调速器。
采用变频器进行变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。目前，国内厂商在高压变频器方面具有研发能力的企业特别少，变频器的功率等级较低，目前不超过3500KW，与高压变频器相配套的产业还很不发达，变频器中使用的关键部件基本上完全依赖进口，变频调速方式还普通采用v／f控制方式。反观国外，各大品牌的变频器生产商，都具有相当大的产业化规模，变频器的功率等级目前已经超过10000kW，其控制系统也已实现全数字化，基本上全部采用矢量控制，在各个行业中，变频器都被广泛的应用，而且新技术和新工艺还在层出不穷。
2 煤矿胶带运输机的运行
2. 1胶带机的正常起/停控制
胶带机的空载起动对驱动设备没有较多的要求,一般来讲胶带机空载起动在工艺上要求各条胶带机的起动有一定的顺序性,胶带机载正常状态下的停车控制也要求有一定的顺序性,这些通常均可通过PLC控制实现。
2. 2胶带机带载运行及机械共振问题
胶带机带载运行中的问题:在胶带机头、尾同时驱动的情况下,由于物料频繁下落时对胶带机产生的扰动,因此要求头部和尾部的两个驱动装置能有较好的负载分配能力,以主—从方式构成速度—速度或速度—转矩的同步调节,另外,针对频繁的负载变化也要求两驱动设备在转矩和速度的调整上有一定的快速性,从而减少胶带机的振动。
胶带机机械共振问题:胶带机在进行速度调整(加速或减速)的过程中,往往要经历产生机械共振的速度范围,为避免机械共振对设备产生的影响,要求驱动设备在速度控制上最好能避过或跨越该速度段。
2. 3胶带机重载起动及不同工况带速调整
胶带机重载起动:胶带机的重载起动是一个较复杂的过程,一般要求驱动设备能做到“缓慢起动”。在这种状态下如果要起动胶带机,首先要求驱动设备能在低速状态下产生较大的起动转矩;其次,要求驱动设备在低速状态下先将处于松弛状态的胶带机绷紧,使胶带机各部位的张力分配均匀后,驱动设备以较低的速度先将齿轮咬合可以缓解机械冲击,延长机械设备的寿命。
对应不同工況的带速调整:通常要求驱动胶带机的设备能对胶带机的带速进行较灵活调整从而实现运量的改变,另外,在系统检修时也要求胶带机能以一个较低的速度运行,以便于检修作业,这些都要求驱动设备对胶带机的带速能进行较灵活的调整。由于变频器本身具有无级调速、速度/转矩两种控制方式,也能方便的实现要求。
3 变频器在矿井胶带机输送系统中的应用
3.1中压变频器的应用实例
变频器在某能源公司某一主斜井胶带机输送系统中的调速驱动原理如图1所示。驱动系统采用西门子Simovert MV系列2 300 V中压变频器,并采用罗克韦尔的PLC作为主从控制器,通过PROFIBUS-DP连接协调各驱动器之间的控制关系。
根据现场工艺的要求,3套变频器实现主从控制,即二次电动机设定为主传动(将参数P242恒定值设定为0),工作在闭环速度控制模式,即跟随1#电动机的速度,并且1#电动机的实际转矩给其作为转矩限幅。一次侧2台同轴驱动的电动机中,1#设定为主传动(将参数P242恒定值设定为1),2#设定为从驱动,工作在闭环转矩控制即跟随1#主驱动的转矩。主传动为闭环速度控制模式,从传动则为闭环力矩控制模式,当二次电动机的速度达不到给定速度时,速度环饱和,这时电流环起作用,二次电动机的转矩跟随1#主电动机的转矩。主从传动之间通过适当的通信连接并合理地设置变频器的参数,实现变频器之间的负荷分配。
图1变频器调速驱动原理示意图
当主传动进行维护或出现故障时,通过变频器间的控制联锁,其中1台从传动变频器自动升为主传动(参数P242自动置0),以确保传输带仍能在降负荷下工作。
图2所示为变频器调速驱动系统所实现的胶带输送机启动和停车时的优化“S”形特性曲线。胶带机的启动过程:由主从控制器PLC作为给定函数发生器,给出优化“S”型曲线作为变频器主驱动的速度给定信号,同时主驱动接收来自电动机轴编码器的脉冲信号作为速度负反馈信号。主传动速度输出将跟随“S”型给定曲线上升,而主传动输出转矩控制信号给从驱动,实现电流调节和功率平衡。停车过程类似上述启动过程:胶带卸料完毕,发出正常停车指令,“S”型曲线开始下降,由变频器控制软停车过程。当速度降低到允许机械抱闸时,各驱动装置断电停车。
图2 优化“S”型特性曲线的速度、加速度模型图
3.2应用注意事项
(1)电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源输入回路返回到电网,从而影响其它受电设备。应根据变频器的容量大小决定是否需要加电抗器。
(2)滤波器安装在变频器的输出端,为了减少变频器输出中的高次谐波。当变频器与电动机的距离较远时,应该安装滤波器。
(3)变频器具有各种保护功能,但它在缺相保护方面并不完美。断路器可在主回路中起到过载、缺相等保护作用,变频器选型时可按照变频器的容量选择使用断路器。变频器自身所带的过载保护可代替热继电器保护。
(4)应考虑散热问题。变频器的故障率随温度升高而成指数地上升,使用寿命随温度升高而成指数地下降。环境温度如升高10°,变频器使用寿命就会减半。本文中应用的变频器是风冷型变频器,其冷却风扇的正常运行是变频器正常运行的保障。
结束语
变频器是针对电机控制研发的专用设备,经过几十年的发展无论是控制技术还是设备的整体稳定性变频器现已成为非常成熟产品。此外,由于变频器本身带有很丰富的软件功能以及较灵活的通讯能力,因此,变频器完全能解决控制中负载均衡及胶带机运行中的其它问题,使变频器驱动胶带机得到广泛使用。
参考文献
[1]孙高峰.变频器在煤矿皮带机的应用研究[J]. 煤矿现代化. 2010(06)
[2]孙福群.自动变频调速胶带机在煤矿的应用[J]. 陕西煤炭. 2011(02)
[3]叶的旺.变频技术在煤矿井下胶带运输系统中的应用[J]. 中小企业管理与科技(上旬刊). 2009(05)
【关键词】变频器；煤矿胶带机；应用
中图分类号：X752文献标识码：A文章编号：
引言
我国是世界上第一大产煤国，随着煤矿设备大型化和自动化水平不断较高，电费所占比例也不断增加，要降低成本，应利用变频器节约能量。变频器是把工频电源变换成各种频率的交流电源的设备，目前，变频器在煤矿皮带机上得到了广泛的应用，它的主要作用如下：
（1）软起动和软停车。利用变频器对皮带机驱动，可以通过电机的慢速启动，带动皮带机缓慢启动，将皮带内部存储的能量慢慢释放，使皮带机启动过程中形成的张力很小，对皮带机几乎不造成危害；停车时的减速度任意可调，这样可将皮带机停车时产生的冲击减少至最小。
（2）降低带强。采用变频器驱动后，由于变频器的启动时间可调，皮带机的启动时间延长，大大降低了对皮带带强的要求。
（3）功率平衡。煤矿皮带机系统多为双滚筒驱动或多滚筒驱动，一般是采用一拖一控制，当采用多电机驱动时，采用主从控制，实现功率平衡，保证电机同步性能。
（4）降低设备的维护量。变频器是一种电子器件的集成，它将机械设备的寿命转化为电子的寿命，降低了设备的维护量。在实际应用过程中，由于降低了起动冲击，皮带机机械系统的设备损耗也随之降低，减少了皮带机机械部分的检修量，尤其托辊及滚筒的寿命成几倍的延长。
（5）节能。通常情况下，煤矿用电机设计富余量大，大部分时间不能满载运行，当轻载或者空载时，常常造成不必要的电能损失。此外，由于煤矿通常离变电站距离较远，不同时段电压波动较大，利用变频器的自动稳压功能，可以达到节能的效果。由于煤矿的特殊条件，有必要针对变频器在煤矿胶带机拖动中的应用展开研究。
1变频器简介
把直流电转换为交流电的装置被称为逆变器,而把直流电源逆变为频率、电压均可调的逆变器即为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波,主要用于三相异步电动机的速度调整,故又被叫做变频调速器。
采用变频器进行变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。目前，国内厂商在高压变频器方面具有研发能力的企业特别少，变频器的功率等级较低，目前不超过3500KW，与高压变频器相配套的产业还很不发达，变频器中使用的关键部件基本上完全依赖进口，变频调速方式还普通采用v／f控制方式。反观国外，各大品牌的变频器生产商，都具有相当大的产业化规模，变频器的功率等级目前已经超过10000kW，其控制系统也已实现全数字化，基本上全部采用矢量控制，在各个行业中，变频器都被广泛的应用，而且新技术和新工艺还在层出不穷。
2 煤矿胶带运输机的运行
2. 1胶带机的正常起/停控制
胶带机的空载起动对驱动设备没有较多的要求,一般来讲胶带机空载起动在工艺上要求各条胶带机的起动有一定的顺序性,胶带机载正常状态下的停车控制也要求有一定的顺序性,这些通常均可通过PLC控制实现。
2. 2胶带机带载运行及机械共振问题
胶带机带载运行中的问题:在胶带机头、尾同时驱动的情况下,由于物料频繁下落时对胶带机产生的扰动,因此要求头部和尾部的两个驱动装置能有较好的负载分配能力,以主—从方式构成速度—速度或速度—转矩的同步调节,另外,针对频繁的负载变化也要求两驱动设备在转矩和速度的调整上有一定的快速性,从而减少胶带机的振动。
胶带机机械共振问题:胶带机在进行速度调整(加速或减速)的过程中,往往要经历产生机械共振的速度范围,为避免机械共振对设备产生的影响,要求驱动设备在速度控制上最好能避过或跨越该速度段。
2. 3胶带机重载起动及不同工况带速调整
胶带机重载起动:胶带机的重载起动是一个较复杂的过程,一般要求驱动设备能做到“缓慢起动”。在这种状态下如果要起动胶带机,首先要求驱动设备能在低速状态下产生较大的起动转矩;其次,要求驱动设备在低速状态下先将处于松弛状态的胶带机绷紧,使胶带机各部位的张力分配均匀后,驱动设备以较低的速度先将齿轮咬合可以缓解机械冲击,延长机械设备的寿命。
对应不同工況的带速调整:通常要求驱动胶带机的设备能对胶带机的带速进行较灵活调整从而实现运量的改变,另外,在系统检修时也要求胶带机能以一个较低的速度运行,以便于检修作业,这些都要求驱动设备对胶带机的带速能进行较灵活的调整。由于变频器本身具有无级调速、速度/转矩两种控制方式,也能方便的实现要求。
3 变频器在矿井胶带机输送系统中的应用
3.1中压变频器的应用实例
变频器在某能源公司某一主斜井胶带机输送系统中的调速驱动原理如图1所示。驱动系统采用西门子Simovert MV系列2 300 V中压变频器,并采用罗克韦尔的PLC作为主从控制器,通过PROFIBUS-DP连接协调各驱动器之间的控制关系。
根据现场工艺的要求,3套变频器实现主从控制,即二次电动机设定为主传动(将参数P242恒定值设定为0),工作在闭环速度控制模式,即跟随1#电动机的速度,并且1#电动机的实际转矩给其作为转矩限幅。一次侧2台同轴驱动的电动机中,1#设定为主传动(将参数P242恒定值设定为1),2#设定为从驱动,工作在闭环转矩控制即跟随1#主驱动的转矩。主传动为闭环速度控制模式,从传动则为闭环力矩控制模式,当二次电动机的速度达不到给定速度时,速度环饱和,这时电流环起作用,二次电动机的转矩跟随1#主电动机的转矩。主从传动之间通过适当的通信连接并合理地设置变频器的参数,实现变频器之间的负荷分配。
图1变频器调速驱动原理示意图
当主传动进行维护或出现故障时,通过变频器间的控制联锁,其中1台从传动变频器自动升为主传动(参数P242自动置0),以确保传输带仍能在降负荷下工作。
图2所示为变频器调速驱动系统所实现的胶带输送机启动和停车时的优化“S”形特性曲线。胶带机的启动过程:由主从控制器PLC作为给定函数发生器,给出优化“S”型曲线作为变频器主驱动的速度给定信号,同时主驱动接收来自电动机轴编码器的脉冲信号作为速度负反馈信号。主传动速度输出将跟随“S”型给定曲线上升,而主传动输出转矩控制信号给从驱动,实现电流调节和功率平衡。停车过程类似上述启动过程:胶带卸料完毕,发出正常停车指令,“S”型曲线开始下降,由变频器控制软停车过程。当速度降低到允许机械抱闸时,各驱动装置断电停车。
图2 优化“S”型特性曲线的速度、加速度模型图
3.2应用注意事项
(1)电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源输入回路返回到电网,从而影响其它受电设备。应根据变频器的容量大小决定是否需要加电抗器。
(2)滤波器安装在变频器的输出端,为了减少变频器输出中的高次谐波。当变频器与电动机的距离较远时,应该安装滤波器。
(3)变频器具有各种保护功能,但它在缺相保护方面并不完美。断路器可在主回路中起到过载、缺相等保护作用,变频器选型时可按照变频器的容量选择使用断路器。变频器自身所带的过载保护可代替热继电器保护。
(4)应考虑散热问题。变频器的故障率随温度升高而成指数地上升,使用寿命随温度升高而成指数地下降。环境温度如升高10°,变频器使用寿命就会减半。本文中应用的变频器是风冷型变频器,其冷却风扇的正常运行是变频器正常运行的保障。
结束语
变频器是针对电机控制研发的专用设备,经过几十年的发展无论是控制技术还是设备的整体稳定性变频器现已成为非常成熟产品。此外,由于变频器本身带有很丰富的软件功能以及较灵活的通讯能力,因此,变频器完全能解决控制中负载均衡及胶带机运行中的其它问题,使变频器驱动胶带机得到广泛使用。
参考文献
[1]孙高峰.变频器在煤矿皮带机的应用研究[J]. 煤矿现代化. 2010(06)
[2]孙福群.自动变频调速胶带机在煤矿的应用[J]. 陕西煤炭. 2011(02)
[3]叶的旺.变频技术在煤矿井下胶带运输系统中的应用[J]. 中小企业管理与科技(上旬刊). 2009(05)