一、引言
      隨著自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，四象限變頻器廣泛應(yīng)用于起重、油田、煤礦等領(lǐng)域，為此公司為了滿足煤礦特有的1140V電壓等級而開發(fā)研制了1140V四象限防爆矢量變頻器。四象限變頻器在煤礦主要用于下行皮帶運(yùn)輸機(jī)、提升機(jī)以及絞車的調(diào)速，除了具有卓越的調(diào)速性能之外，四象限變頻器還有非常明顯的節(jié)能效果，是煤炭企業(yè)技術(shù)改造升級和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。
      本文主要介紹英威騰CHA100-400G-12防爆型四象限變頻器在神華集團(tuán)寧夏寧魯煤電公司任家莊煤礦下行皮帶運(yùn)輸機(jī)上的成功應(yīng)用。

 

　　二、皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)簡介
      1、帶運(yùn)輸控制系統(tǒng)由防爆變頻器、液壓抱閘系統(tǒng)、集控系統(tǒng)、皮帶機(jī)、減速箱等組成，整個(gè)系統(tǒng)的組成如下圖所示：

 

現(xiàn)場下運(yùn)皮帶帶長200m、帶寬1.2m，設(shè)計(jì)帶速4m/s 。

 

 　　2、系統(tǒng)負(fù)載特點(diǎn)
　　皮帶機(jī)的工作原理是皮帶機(jī)通過驅(qū)動(dòng)輪轂，靠摩擦牽引皮帶運(yùn)動(dòng)，皮帶通過張力變形和摩擦力帶動(dòng)物體在支撐輥輪上運(yùn)動(dòng)。皮帶是彈性儲(chǔ)能 材料，在皮帶機(jī)運(yùn)行和停止時(shí)都儲(chǔ)藏著大量的勢能，這就決定了皮帶機(jī)在啟動(dòng)和停車時(shí)應(yīng)該采用軟啟動(dòng)和軟停車的方式。 
　　下行皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)變頻器在啟動(dòng)和加速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作用于皮帶驅(qū)動(dòng)輪轂上，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)皮帶上煤后，煤的重量沿皮帶傳輸方向上的分力也作用于皮帶驅(qū)動(dòng)輪轂上，并使驅(qū)動(dòng)力矩逐漸增大，當(dāng)此力矩大于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩時(shí)，此時(shí)皮帶驅(qū)動(dòng)輪轂拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)出于再生發(fā)電狀態(tài)，需要將再生電能通過反饋裝置反送給電網(wǎng)或者消耗在制動(dòng)電阻上，以防止母線電壓過沖，變頻器過壓。      

負(fù)載設(shè)備參數(shù)表

 

 
　　三、控制要求
　　1、皮帶在啟動(dòng)和停車時(shí)要實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車。
　　2、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大，尤其是在重載情況下要平穩(wěn)啟動(dòng)。
   　3、變頻器要與集控系統(tǒng)、液壓抱閘系統(tǒng)配合好，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和液壓抱閘及時(shí)的開抱閘。

　　四、系統(tǒng)的構(gòu)成及控制原理
　　1、系統(tǒng)構(gòu)成
      (1)、變頻器選擇
      由于下行皮帶在運(yùn)行時(shí)有再生能量產(chǎn)生，電機(jī)功率較大，對系統(tǒng)的控制要求也較高，所以選擇高端的可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的INVT-CHA100-400G-12四象限運(yùn)行矢量變頻器，CHA100系列四象限變頻器既有以下技術(shù)特點(diǎn)：
      a、輸入輸出特性
      ◆輸入電壓范圍：1140V±15%
      ◆輸入頻率范圍：47～63Hz
      ◆額定輸入效率：97%以上
      ◆額定輸入功率因數(shù)：95%以上
      b、控制性能特性
      ◆控制方式：無PG矢量控制、有PG矢量控制、V/F控制
      ◆過載能力：150%額定電流 60s；180%額定電流 10s
      ◆啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：無PG矢量控制：0.5Hz/150% (SVC)；有PG矢量控制：0Hz/180%
      c、功能特性
      ◆優(yōu)異的主從控制邏輯，分別支持速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的主從方式
      ◆頻率設(shè)定方式：數(shù)字設(shè)定、模擬量設(shè)定、485串行通訊設(shè)定、多段速設(shè)定、模擬量跟蹤運(yùn)行、Profibus通訊給定、高速脈沖HDI 給定等
      ◆運(yùn)行方式：檢修運(yùn)行、應(yīng)急運(yùn)行、強(qiáng)迫減速運(yùn)行
      ◆運(yùn)行曲線：直線運(yùn)行、S曲線運(yùn)行
      ◆起動(dòng)預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償
      ◆啟動(dòng)、停機(jī)直流制動(dòng)
      ◆自動(dòng)電壓調(diào)整功能：當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時(shí)，能自動(dòng)保持輸出電壓恒定
      ◆提供多達(dá)30種系統(tǒng)故障保護(hù)功能：過流、過壓、欠壓、過溫、缺相、過載等保護(hù)功能。
      根據(jù)現(xiàn)場負(fù)載的特點(diǎn)及要求，并結(jié)合我公司變頻器的特點(diǎn)，我們配置如下的變頻器，其主要參數(shù)如下：     

變頻器參數(shù)表

 
 

 

 變頻器的系統(tǒng)原理圖

 
      2、系統(tǒng)控制原理
      (1)系統(tǒng)控制原理說明
           變頻器的故障輸出、變頻器停車信號、抱閘開閘反饋、皮帶保護(hù)系統(tǒng)信號等為集控系統(tǒng)的輸入信號；
           抱閘系統(tǒng)的開閘信號，變頻器整流運(yùn)行信號、逆變運(yùn)行信號為集控系統(tǒng)的輸出信號。
      (2)系統(tǒng)控制接線圖如下：

 
                                                                                             系統(tǒng)控制邏輯圖

 　　(4)系統(tǒng)四象限運(yùn)行分析
      電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過減速機(jī)轉(zhuǎn)換后作用在皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪轂上，并與上層皮帶自重沿傳輸面重力分量作用在皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轂上的  力矩組合，電機(jī)工作在第一象限。當(dāng)皮帶上煤后，煤的重量沿皮帶傳輸方向的分力也作用在驅(qū)動(dòng)輪轂上，并使驅(qū)動(dòng)力矩逐漸增大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩超過摩擦力力矩后，驅(qū)動(dòng)輪轂的轉(zhuǎn)速將加速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過機(jī)械連接使得電機(jī)轉(zhuǎn)子也加速轉(zhuǎn)動(dòng)，其速度超過電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；此時(shí)電機(jī)處于反轉(zhuǎn)再生狀態(tài)，電機(jī)工作在第二象限。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，則工作在第二、四象限。
      電機(jī)運(yùn)行在第一、三象限時(shí)為電動(dòng)態(tài)，其定子中的旋轉(zhuǎn)磁場、電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向同向，電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)力矩，此時(shí)電機(jī)從電網(wǎng)吸收的電能大部分有電磁轉(zhuǎn)矩作用到轉(zhuǎn)子上以機(jī)械能形式輸出。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在第二、四象限時(shí)為再生態(tài)，由于轉(zhuǎn)子切割磁力線的方向發(fā)生了改變，故電機(jī)作用到轉(zhuǎn)子上的帶電磁轉(zhuǎn)矩方向也發(fā)生改變，成為轉(zhuǎn)子的制動(dòng)阻力力矩；此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子被負(fù)載的合成力矩拖著以超過同步轉(zhuǎn)速的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)載作用在皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪轂上的機(jī)械能有電機(jī)反饋回電網(wǎng)。變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電機(jī)工作在四個(gè)象限的示意圖如下：

　　五、調(diào)試注意事項(xiàng)
　　1、整流器電壓環(huán)PI參數(shù)調(diào)節(jié)
       當(dāng)變頻器在現(xiàn)場安裝后，由于現(xiàn)場電源側(cè)變壓器的電感等原因，變頻器的PWM整流可能會(huì)出現(xiàn)以下情況：
　　(1)整流器運(yùn)行輸出過電壓(OV)，當(dāng)出現(xiàn)過電壓時(shí)適當(dāng)降低電壓環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)，增大比例系數(shù)KP可加快電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但KP過大容易產(chǎn)生振蕩。增大積分系數(shù)KI可加快電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但KI過大會(huì)導(dǎo)致電壓超調(diào)且容易產(chǎn)生振蕩。通常先調(diào)節(jié)比例系數(shù)KP，在保證系統(tǒng)不振蕩的前提下盡量增大KP值，然后調(diào)節(jié)積分系數(shù)KI，使系統(tǒng)既有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)又超調(diào)不大。
　　(2)整流器運(yùn)行輸出電壓波動(dòng)大，此時(shí)適當(dāng)降低電壓環(huán)動(dòng)態(tài)比例系數(shù)和動(dòng)態(tài)積分系數(shù)。

 
　　(3)整流器運(yùn)行過電流（OC），此時(shí)可適當(dāng)調(diào)低電流環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)。通過對電流環(huán)的調(diào)節(jié)改變有功電流分量和無功電流分量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。增大比例系數(shù)KP可加快電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但KP過大容易產(chǎn)生振蕩。增大積分系數(shù)KI可加快電流的動(dòng)態(tài)相應(yīng)，但KI過大電流超調(diào)且容易產(chǎn)生振蕩。通常先調(diào)節(jié)比例系數(shù)KP，在保證電流不振蕩的前提下盡量增大KP值，然后調(diào)節(jié)積分系數(shù)KI，使系統(tǒng)既有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)又超調(diào)不大。
　　2、抱閘與松閘的控制，抱閘系統(tǒng)的開閘信號由集控系統(tǒng)給出，開閘后反饋信號給集控系統(tǒng)，變頻器起車；停車時(shí)集控系統(tǒng)給出停車信號變頻器減速，當(dāng)變頻器到0Hz是繼電器輸出信號，抱閘系統(tǒng)抱閘。
　　3、整流與逆變的起、停車順序，啟動(dòng)時(shí)集控系統(tǒng)先給整流器起車信號，整流起車后延時(shí)5s給出逆變起車信號，逆變起車；停車時(shí)，逆變減速到0Hz，運(yùn)行繼電器輸出信號停止后整流停車。

　　六、變頻器參數(shù)設(shè)定 
 

　　七、結(jié)束語
      經(jīng)過變頻技術(shù)改造后皮帶機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行良好，并有以下優(yōu)點(diǎn)：
      1、優(yōu)越的軟啟動(dòng)、軟停車特性。防爆變頻器的啟動(dòng)、停止時(shí)間是任意可調(diào)的（1-60min），同時(shí)為了平穩(wěn)起動(dòng)，還可匹配其具備的S型加減速時(shí)間，這樣可將皮帶機(jī)起停時(shí)產(chǎn)生的沖擊減小至最小，這是其他驅(qū)動(dòng)器難以達(dá)到的。
      2、驗(yàn)帶功能。煤礦的生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)多以皮帶機(jī)為主，運(yùn)輸系統(tǒng)檢修維護(hù)，低速驗(yàn)帶功能是皮帶機(jī)檢修的主要要求，變頻調(diào)速系統(tǒng)為無極調(diào)速的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，在空載驗(yàn)帶狀態(tài)下，變頻器可調(diào)整電機(jī)工作5%-100%額定帶速范圍內(nèi)任意帶速。
      3、穩(wěn)的重載起動(dòng)。皮帶機(jī)在運(yùn)煤過程中任意一刻都可能立即停車再重新起動(dòng)，必須考慮“重載起動(dòng)”能力。由于變頻器采用無速度傳感器矢量控制方式，低頻運(yùn)轉(zhuǎn)最大可輸出1.5倍額定轉(zhuǎn)矩，因此最適于“重載起動(dòng)”。
      4、動(dòng)調(diào)速、節(jié)電效果明顯。對應(yīng)于煤礦的特殊生產(chǎn)條件，有時(shí)，煤的產(chǎn)量是極不均勻的，當(dāng)然皮帶機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)煤量也是不均勻的，在負(fù)載輕或無負(fù)載時(shí)，皮帶機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)行對機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損浪費(fèi)較為嚴(yán)重，同時(shí)電能消耗比低速運(yùn)行時(shí)大的多，但因生產(chǎn)的需要皮帶機(jī)系統(tǒng)又不能隨時(shí)停車，采用單獨(dú)的控制系統(tǒng)對前級運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷、本機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷進(jìn)行分別測量，這樣可控制變頻器降速或提前升速。對于載荷不均的皮帶機(jī)系統(tǒng)，可大大節(jié)約電能。
      5、低膠帶張力。由于采用防爆變頻器所產(chǎn)生的良好起動(dòng)特性，至少可降低起動(dòng)張力30%，如在初期設(shè)計(jì)選擇膠帶強(qiáng)度時(shí)可降低一個(gè)標(biāo)號。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于降低了起動(dòng)沖擊，皮帶機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)備損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒的壽命成幾倍的延長。
      事實(shí)證明英威騰中壓四象限變頻器有著無法比擬的優(yōu)越的產(chǎn)品性能和領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢，在煤炭行業(yè)的節(jié)能改造應(yīng)用中能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益，對于創(chuàng)建節(jié)能環(huán)保型的社會(huì)發(fā)揮著重要的作用。