近年來，變頻技術在我國有了很大發(fā)展，與傳統(tǒng)的機械調速方式相比，其優(yōu)越性日趨突出，具有控制精度高、調速和起動、制動性能優(yōu)良、節(jié)能、可靠性高、免維護等優(yōu)點，經(jīng)濟效益與社會效益顯著，是帶式輸送機產(chǎn)品進行技術創(chuàng)新和產(chǎn)品升級、促進能源節(jié)約的重要手段之一，富通新能源不但生產(chǎn)銷售皮帶輸送機而且還銷售木屑顆粒機、秸稈壓塊機等機械設備。
1、帶式輸送機用變頻調速裝置現(xiàn)狀
目前，應用在帶式輸送機的拖動與控制中的變頻裝置多為一些中小功率、低壓變頻器，市場上變頻器的額定電壓通常為380 V或660 V，1140 V的變頻器應用的相對很少，其變頻原理以PWM控制、第四代IGBT直接串連、6脈沖變流技術為主，雖變頻技術較為成熟，可有效地改善和提高帶式輸送機運行性能，但所能控制的單臺電機功率受到了限制，因此可以應用的帶式輸送機工況也有了很大的局限性，同時因變頻而產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)以及各配套電氣設備性能影響較大，甚至影響附近其他電器設備的正常工作，需加入各種抑制或吸收諧波的裝置，控制環(huán)節(jié)多，直接影響到整機效率，無形增加了設備維護量。
一般而言，長運距、大傾角、大運量的帶式輸送機的傳動方式往往比較復雜，驅動功率較大，多臺電動機驅動，在需要進行軟啟動與軟制動控制的同時，多臺電機間也需要進行功率平衡，低壓變頻方式已不能適應拖動與控制的需要。隨著以GTO、IGBT、IGCT為代表的自關斷器件的發(fā)展，各種適合高壓變頻的主電路拓撲結構的研究進一步深入，高壓大容量變頻調速技術取得了突破性發(fā)展。因此，如何有效地直接利用高壓變頻技術對大功率帶式輸送機的調速驅動系統(tǒng)進行設計、改進，對提高整機動態(tài)穩(wěn)定性及可靠性、減少故障率、節(jié)能降耗等方面將具有十分重要的現(xiàn)實意義。
2、高壓交流變頻調速裝置技術指標的確定
通過對高壓大容量的變頻器結構特點分析，并結合帶式輸送機調速范圍與精度、起動轉矩等的要求，確定以下主要技術指標做為高壓變頻裝置對帶式輸送機進行調速驅動的設計依據(jù)。
(1)高一高結構，即6 kV輸入／輸出，不需輸出升壓變壓器，簡化和減少變配電環(huán)節(jié)的設備，直接適用于6 kV電源系統(tǒng)。
(2)變頻輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式，輸出相電壓至少為13電平，線電壓至少為25電平。
(3) -體化設計，包括輸入干式隔離變壓器，變頻器等所有部件及內部連線，可減少占地空間，提高效率，易于現(xiàn)場的管理維護。
(4)諧波抑制采用36脈沖整流輸入，符合并優(yōu)于IEEE519～1992及GB/T14519～93標準對電壓失真和電流失真最嚴格的要求。
(5)不設濾波器變頻器，實現(xiàn)輸出正弦電流和電壓波形，使用普通異步電機，且電機不得受到共模電壓和dv/dt的影響。
(6)不設功率因數(shù)補償裝置，在20%～100%的負載變化情況內達到或超過o．95的功率因數(shù)。
(7)采用先進的無速度傳感器矢量控制。
(8)功率單元和主控系統(tǒng)通訊采用光纖連接，具有高的通信速率和抗干擾能力，安全性好。
(9)起動轉矩滿足1 min200%(每lOmin)的轉矩過載能力，適應帶式輸送機重載起動要求。
(10)具備功率單元自動旁路功能，旁路時間在250 ms以內，允許每相有不同的功率單元數(shù)量，并采用三相線電壓平衡（中心點漂移技術），確保在功率單元故障情況下仍能正常工作，發(fā)揮功率單元最大輸出能力。
3、具體設計應用研究
3.1 系統(tǒng)應用設計
根據(jù)以上特點，結合甘肅某煤礦主斜井帶式輸送機的設計參數(shù)，設計采用了高壓變頻調速技術，該機長度為1021 m、傾角達25。，運量Q=350 t／h，經(jīng)綜合考慮現(xiàn)場安裝實際位置與特點，確定該機帶速V=3. 15 mm/s，膠帶為ST2500鋼繩芯膠帶，帶寬B - 800 mm。傳動裝置為雙電機，雙滾筒驅動，采用兩臺額定輸出功率為600 kW、以先進的矢量控制技術構成的高壓變頻調速裝置對兩臺400 kW國產(chǎn)普通6 kV高壓異步電機進行調速控制，其傳動布置及系統(tǒng)構成如圖1所示。
該機的主要結構特征為：高壓電機與減速機之間為剛性聯(lián)接，驅動單元占用空間小，容易布置，能量傳遞的環(huán)節(jié)少，使驅動系統(tǒng)的效率高，維護工作量小。高壓柜系統(tǒng)采用KYN28A戶內金屬鎧裝抽出式金屬封閉開關柜，1臺進線柜采用雙回路進線形式，滿足煤礦主斜井供電要求，2臺起動柜為分斷2臺變頻器的6 kV電源主開關及變頻器，實現(xiàn)對2臺主電機的直接起動控制及保護，2臺旁路柜作為2臺電機接入變頻電源或工頻電源時的轉換開關。
3.2控制系統(tǒng)設計
結合高壓變頻技術、計算機技術以及自動控制技術，并通過對現(xiàn)有控制設備的綜合技術分析，設計研制了與驅動相適應的該帶式輸送機控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)基于西門子S7-300型PLC邏輯控制，以嵌入式工控機系統(tǒng)為監(jiān)控中心，用來完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、設備控制、信息傳輸及全過程的可視化監(jiān)控，有效解決以下技術難點。
(1)拖動電機的控制方式。由于該帶式輸送機為雙電機、雙滾筒驅動，因此，若兩臺電機的傳動都作為獨立的速度控制，則在運行時，兩臺電機的轉矩難于調整。為了滿足兩臺電機速度同步，又要兩臺電機的轉矩平衡，把控制系統(tǒng)設計為一個速度環(huán)、兩個電流環(huán)的主從控制結構。控制框圖如圖2所示。
(2)力矩平衡控制。由交流異步電動機的機械特性可知，同一型號和功率的兩臺電動機的機械特性相同，從理論上講，負載在兩臺電機間平均分配，兩臺電動機各承擔1／2的負載，但在實際中，由于各種誤差的存在，負載在兩電機間很難完全平均分配。
為解決兩臺電機的轉矩和拖動功率平衡問題，采用了主從控制方式，主變頻器按照皮帶輸送要求對整個系統(tǒng)進行速度控制，主變頻器的速度調節(jié)器的輸出作為轉矩設定值，分派給主變頻器和從變頻器，取兩臺電動機在各自系統(tǒng)中的磁通值，把轉矩給定值轉換為電流給定值，進行各自的電流閉環(huán)調節(jié)，這不僅保證了兩臺電動機的出力一致，達到轉矩平衡，而且與普通的U/F控制相比，將會獲得很大的啟動轉矩。
(3)速度同步控制。由于采用了1臺電機的速度計算值作為內部速度反饋信號，故首先從工藝上滿足了速度的控制要求I又由于采用了轉矩平衡控制（轉矩給定為同一值，且采用閉環(huán)調節(jié)），使兩臺電機出力相同，故電機預達到的速度也是一致的。
(4)起動加速度控制。由于變頻器的矢量控制技術及轉矩控制功能和快速電流限制功能，使帶式輸送機獲得了比較好的啟制動加速度，優(yōu)于現(xiàn)行的0. 1～0.3 帶式輸送機的起制動加速度值。
(5)運行速度控制。根據(jù)實際負載的大小來確定帶式輸送機的實際運行速度，即根據(jù)負荷的變化來調整系統(tǒng)速度給定信號。按照實際情況要求，設計采用了兩種方式：分級給定和無級調速給定。
依據(jù)整個速度按煤量不同，分級給定結合帶速、帶強等可分為五級，即：滿載、煤量大、煤量中、煤量小、驗帶。
無級調速給定采用PLC自動和手動無級給定兩種形式，PLC自動無級給定控制，由PLC實際檢測負載。當空載或煤量少時，帶式輸送機可以根據(jù)很低的速度維持運轉，隨著負荷的增加，給定速度相應增加，電機速度、膠帶運轉速度也相應增加，反之亦然。
(6) PLC軟件設計。終端采用梯形圖語言編寫，為提高終端的抗干擾能力，軟件設計中采用了數(shù)字濾波、故障自檢、控制口令等措施，保證控制操作的正確性和可靠性。程序設計采用模塊化、功能化結構，便于維護、擴展。
(7)監(jiān)控軟件設計。采用MCGS全中文工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件，設計組建了優(yōu)質高效的監(jiān)控系統(tǒng)，用來完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢‘曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡等功能，使帶式輸送機更加安全可靠的運轉。
(8)帶式輸送機保護系統(tǒng)。按《煤礦安全規(guī)程》的要求，本系統(tǒng)設有沿線急停、溫度、煙霧、縱向撕裂、煤位、跑偏、張緊限位、速度、斷帶，超溫自動灑水等各種常規(guī)保護。此外，還設有主電機三相定子繞組溫度、前后軸承溫度、變頻器的功率單元柜溫度、隔離變壓器溫度、變頻器故障、高壓開關柜故障等各種故障保護功能。
4、應用情況
該6 kV高壓變頻調速帶式輸送機于2006年6月安裝調試投入運行以來，運行情況良好，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
(1)有效實現(xiàn)起動加速度控制、運行調速控制、力矩平衡控制及速度同步控制，轉矩和速度控制精確平滑，保持皮帶動態(tài)張力最小，起制動過程膠帶無震顫，噪音低。
(2)整機結構合理，設備配置優(yōu)化，有利于用戶的現(xiàn)場管理和維護，降低了對電網(wǎng)的容量要求和無功損耗。
(3)對電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以適用于由普通國產(chǎn)電機做為主驅動電機的各類帶式輸送機。圖3為實測變頻器輸出電壓電流波形。
(4)舒適型的操作、控制面板，可完成對系統(tǒng)監(jiān)控及集控、就地、檢修、手動等不同工況下的操作控制。
(5)完善的帶式輸送機各種故障檢測及全面的故障監(jiān)控功能。實現(xiàn)控制系統(tǒng)的自檢、報警、信號記憶。
(6)通過多功能顯示平臺實現(xiàn)系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)登錄功能，以及系統(tǒng)各種運行參數(shù)／變量的中文顯示。并建立故障排除系統(tǒng)，使用戶在電腦系統(tǒng)的指引下逐步排除故障。
(7)由于采用了運行過程的分級和無級調速控制，可根據(jù)運煤量大小即時調整帶速，提高了帶式輸送機的節(jié)能效率，適應國情，符合煤礦生產(chǎn)節(jié)能降耗的需求。
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