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1、概述
    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用交流變頻裝置所增加的成本已能被采用交流電動(dòng)機(jī)所節(jié)省的成本所彌補(bǔ)，因此，晉城煤業(yè)集團(tuán)在趙莊煤礦主斜井長(zhǎng)運(yùn)距帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中采用了基于矢量控制技術(shù)的西門(mén)子SIMOVERT MV電壓型變頻器。趙莊煤礦主斜井長(zhǎng)運(yùn)距帶式輸送機(jī)系統(tǒng)使用2. 3kV、3x1850kW西門(mén)子變頻電機(jī)，2. 3kV、3×2200kVA西門(mén)子3電平、12脈動(dòng)、矢量控制的中壓變頻器。這種多點(diǎn)、中壓變頻驅(qū)動(dòng)在國(guó)內(nèi)的輸送機(jī)系統(tǒng)中并不多見(jiàn)。趙莊煤礦帶式輸送機(jī)系統(tǒng)于2005年10月底開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。
2、系統(tǒng)構(gòu)成
    變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制量通常是交流電動(dòng)機(jī)的定子電壓幅值和頻率（電壓控制型）或定子電流幅值和頻率（電流控制型），它們都是標(biāo)量，無(wú)法控制瞬時(shí)方向。為了改善轉(zhuǎn)矩的控制性能，我們對(duì)定子電壓或電流實(shí)施矢量控制，這樣既控制了大小，又控制了方向。
    西門(mén)子矢量控制變頻器SIMOVERT MV是以磁場(chǎng)控制、智能控制等現(xiàn)代理論為基礎(chǔ)，并直接控制力矩的，其內(nèi)藏電流矢量控制功能可以提高力矩控制和速度性能。使用矢量控制技術(shù)，AC方式調(diào)速的范圍與動(dòng)態(tài)響應(yīng)可與DC調(diào)速方式相比擬，甚至超過(guò)DC的性能，它的獲得主要是將電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流與勵(lì)磁電流進(jìn)行分離和單獨(dú)控制，特需的轉(zhuǎn)矩可被保持和被有效地限制。而且西門(mén)子矢量變頻器SIMO-VERT MV使用數(shù)字控制技術(shù)，所提供的功能范圍能夠被完善和擴(kuò)展，使整個(gè)系統(tǒng)對(duì)操作和服務(wù)人員較為透明。
    趙莊煤礦主斜井長(zhǎng)運(yùn)距帶式輸送機(jī)系統(tǒng)屬于中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，該中壓變頻系統(tǒng)以恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載調(diào)速驅(qū)動(dòng)，在輕載及重載工況下，均能有效地控制帶式輸送機(jī)柔性負(fù)載的軟啟動(dòng)／軟停車動(dòng)態(tài)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)之間的功率平衡，并提供可調(diào)驗(yàn)帶速度。由此降低直接啟動(dòng)／快速停車過(guò)程中對(duì)機(jī)械和電氣系統(tǒng)的沖擊，避免撒料與疊帶，可有效抑制帶式輸送機(jī)動(dòng)態(tài)張力波對(duì)膠帶和機(jī)械設(shè)備造成的危害，延長(zhǎng)輸送機(jī)使用壽命。
    由于主斜井進(jìn)線電壓是10kV，變頻器通過(guò)變頻變壓器與電網(wǎng)連接，因而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的二極管前端( DFE)12脈沖配置，只需一個(gè)三繞組變壓器，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（變頻器和電機(jī)）通過(guò)此變壓器與電網(wǎng)隔離開(kāi)。采用3電平12脈動(dòng)的整流單元和一臺(tái)次邊相差30。的三繞組變壓器供電，電網(wǎng)擾動(dòng)作用明顯減少，其5次和7次諧波電流相對(duì)于6脈動(dòng)工作來(lái)講幾乎完全抵消。兩臺(tái)電機(jī)置機(jī)頭，一臺(tái)置機(jī)尾，機(jī)頭中的一臺(tái)作主電機(jī)，其余作從電機(jī)，采取主從控制，主電機(jī)動(dòng)作，從電機(jī)跟隨，達(dá)到整條運(yùn)輸帶的功率平衡。主從控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多套驅(qū)動(dòng)裝置之間的速度同步和力矩平衡，主從控制分為從機(jī)力矩限幅和從機(jī)力矩’控制。從機(jī)力矩控制適用于剛性連接，從機(jī)的力矩給定來(lái)自于主機(jī)的力矩輸出；從機(jī)力矩限幅適用于柔性連接，從機(jī)的力矩給定來(lái)自于主機(jī)的力矩限幅。這樣可使負(fù)載在電機(jī)之間均衡分配，從而保證各電機(jī)出力均衡和速度同步。
    功率平衡在多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的帶式運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)中至關(guān)重要。在變頻驅(qū)動(dòng)的工作方式下，主機(jī)速度采用閉環(huán)控制，以機(jī)跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)同軸的電機(jī)之間的功率平衡。
    帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控單元是工控機(jī)（內(nèi)裝組態(tài)王），它具有多種顯示和多種操作，顯示包括：帶速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流、電機(jī)功率、料倉(cāng)料位、沿線急停位置，輸送機(jī)運(yùn)行及故障狀態(tài)；操作分為：?jiǎn)��?dòng)、急停、停止、預(yù)警、啟主機(jī)、停主機(jī)、啟給煤機(jī)、停給煤機(jī)、速度給定、工作方式轉(zhuǎn)換等。控制器PLC設(shè)有跑偏、拉線、煙霧、堆煤、打滑、灑水等符合煤礦安全規(guī)程的保護(hù)，并檢測(cè)主電機(jī)、減速器、滾筒軸承溫度；而且能檢測(cè)閘皮磨損并具有手動(dòng)控制盤(pán)形閘功能；具有與上、下級(jí)輸送機(jī)及給煤機(jī)的聯(lián)鎖功能，實(shí)現(xiàn)前方膠帶、主斜井膠帶、給煤機(jī)的同步控制。
3、矢量變頻器
    趙莊礦選用的西門(mén)子中壓矢量變頻器SIMO-VERT MV，是具有HV-IGBT逆變器、全數(shù)字技術(shù)的有中間電壓回路的變頻器。變頻器采用閉環(huán)矢量控制方式，使整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩特性保持較佳。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，變頻器與現(xiàn)有控制系統(tǒng)的通訊可通過(guò)變頻器配置的I/O口來(lái)實(shí)現(xiàn)。從PLC到變頻器的給定信號(hào)有：速度給定4—20 mA、變頻器開(kāi)、變頻器停、緊急停機(jī)、輔助設(shè)備準(zhǔn)備好。從變頻器到PLC的信號(hào)有：變頻器預(yù)備、變頻器運(yùn)行、變頻器報(bào)警、變頻器故障、電機(jī)過(guò)速、變頻器過(guò)載、變壓器過(guò)熱、電機(jī)轉(zhuǎn)速4—20 mA、電機(jī)電流4—20 mA、到進(jìn)線柜信號(hào)（開(kāi)關(guān)合）。
    對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩主／從傳動(dòng)系統(tǒng)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)使用一個(gè)1024脈沖或更高分辨率的增量型脈沖編碼器，結(jié)合閉環(huán)力矩控制技術(shù)，可以獲得最高的動(dòng)態(tài)特性和速度精度。通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，可指定某驅(qū)動(dòng)裝置為主驅(qū)動(dòng)或從驅(qū)動(dòng)方式，主驅(qū)動(dòng)采用速度反饋控制，可以得到高性能的啟動(dòng)／停車曲線，從驅(qū)動(dòng)采用內(nèi)部電流或力矩控制，可以實(shí)現(xiàn)功率平衡功能。
    驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理見(jiàn)圖3。
    西門(mén)子變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)僅從電網(wǎng)吸取輸出所需的功率，因而效率較高，在流量或輸出較低的情況下，即部分負(fù)荷或低負(fù)荷的情況下更為明顯。
    在線直接啟動(dòng)定速電機(jī)，會(huì)有一個(gè)高于額定電流6倍以上的浪涌啟動(dòng)電流，這個(gè)電流中的一部分在電機(jī)內(nèi)以熱能形式散發(fā)，在供電系統(tǒng)電網(wǎng)較弱的情況下，它會(huì)造成較大的壓降。
    根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，西門(mén)子矢量變頻器的控制功能可以將啟動(dòng)電流限制在電機(jī)的額定電流及以下的任何電流值，從而能夠降低對(duì)電機(jī)及電網(wǎng)的壓力。
    作為標(biāo)準(zhǔn)配置，西門(mén)子矢量變頻器的功率部分包括：12脈沖配置的二極管整流器(DFE)、具有電容器和消弧可控硅的3電平直流環(huán)節(jié)、3電平3相逆變橋。功率部分設(shè)計(jì)采用3電平技術(shù)擁有許多優(yōu)點(diǎn)：高壓ICBT只需承受DC環(huán)節(jié)電壓的一半電壓；為獲得同等質(zhì)量的輸出電流，變頻器的開(kāi)關(guān)頻率僅約為2電平技術(shù)的1/4，因此HV -IGBT的損耗降低而效率提高；與2電平技術(shù)相比，輸出電流的特性得以改善；電機(jī)的損耗及噪音降低。電機(jī)側(cè)逆變器采用3電平電路設(shè)計(jì)，加之與HV -IGBT的性能相結(jié)合，其輸出是一個(gè)正弦電流。低的諧波分量保證在整個(gè)速度控制范圍內(nèi)擁有極佳的恒轉(zhuǎn)矩和低的電機(jī)損耗。
    逆變器部分的控制是通過(guò)控制提供給每個(gè)IC-BT功率元件的觸發(fā)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)事先準(zhǔn)備好的、為減少諧波影響的脈沖波形，逆變器可向電機(jī)提供友好的輸出波形，特別是在低轉(zhuǎn)速時(shí)的平滑轉(zhuǎn)矩性能。
4運(yùn)行檢驗(yàn)
    根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸送帶的工藝要求，3套變頻器實(shí)現(xiàn)主從控制，主傳動(dòng)以閉環(huán)速度控制模式，兩臺(tái)從傳動(dòng)則為閉環(huán)力矩控制，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化S形曲線啟動(dòng)，使輸送系統(tǒng)的啟動(dòng)更平穩(wěn)。主從傳動(dòng)之間通過(guò)適當(dāng)?shù)耐ㄓ嵾B接，對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，實(shí)現(xiàn)變頻器之間的負(fù)荷分配。通過(guò)基于矢量控制技術(shù)的西門(mén)子變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以使電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，使帶式輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。
    當(dāng)主傳動(dòng)進(jìn)行維護(hù)或出現(xiàn)故障時(shí)，可通過(guò)變頻器間的控制聯(lián)鎖，使兩臺(tái)從傳動(dòng)變頻器中的一臺(tái)自動(dòng)升級(jí)，并使被控電機(jī)成為主傳動(dòng)，以確保輸送帶仍能在降負(fù)荷下工作。
5、結(jié)語(yǔ)
    趙莊煤礦主斜井長(zhǎng)運(yùn)距帶式輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行至今已有1年，與其他輸送系統(tǒng)相比，其性能可靠、操作維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)效益較為顯著。