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1、概述
    隨著電力電子技術的發展，采用交流變頻裝置所增加的成本已能被采用交流電動機所節省的成本所彌補，因此，晉城煤業集團在趙莊煤礦主斜井長運距帶式輸送機系統中采用了基于矢量控制技術的西門子SIMOVERT MV電壓型變頻器。趙莊煤礦主斜井長運距帶式輸送機系統使用2. 3kV、3x1850kW西門子變頻電機，2. 3kV、3×2200kVA西門子3電平、12脈動、矢量控制的中壓變頻器。這種多點、中壓變頻驅動在國內的輸送機系統中并不多見。趙莊煤礦帶式輸送機系統于2005年10月底開始運轉。
2、系統構成
    變頻調速系統的控制量通常是交流電動機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），它們都是標量，無法控制瞬時方向。為了改善轉矩的控制性能，我們對定子電壓或電流實施矢量控制，這樣既控制了大小，又控制了方向。
    西門子矢量控制變頻器SIMOVERT MV是以磁場控制、智能控制等現代理論為基礎，并直接控制力矩的，其內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，AC方式調速的范圍與動態響應可與DC調速方式相比擬，甚至超過DC的性能，它的獲得主要是將電機的轉矩電流與勵磁電流進行分離和單獨控制，特需的轉矩可被保持和被有效地限制。而且西門子矢量變頻器SIMO-VERT MV使用數字控制技術，所提供的功能范圍能夠被完善和擴展，使整個系統對操作和服務人員較為透明。
    趙莊煤礦主斜井長運距帶式輸送機系統屬于中壓變頻調速系統，該中壓變頻系統以恒轉矩負載調速驅動，在輕載及重載工況下，均能有效地控制帶式輸送機柔性負載的軟啟動／軟停車動態過程，實現各驅動之間的功率平衡，并提供可調驗帶速度。由此降低直接啟動／快速停車過程中對機械和電氣系統的沖擊，避免撒料與疊帶，可有效抑制帶式輸送機動態張力波對膠帶和機械設備造成的危害，延長輸送機使用壽命。
    由于主斜井進線電壓是10kV，變頻器通過變頻變壓器與電網連接，因而對于標準的二極管前端( DFE)12脈沖配置，只需一個三繞組變壓器，驅動系統（變頻器和電機）通過此變壓器與電網隔離開。采用3電平12脈動的整流單元和一臺次邊相差30。的三繞組變壓器供電，電網擾動作用明顯減少，其5次和7次諧波電流相對于6脈動工作來講幾乎完全抵消。兩臺電機置機頭，一臺置機尾，機頭中的一臺作主電機，其余作從電機，采取主從控制，主電機動作，從電機跟隨，達到整條運輸帶的功率平衡。主從控制技術可以實現多套驅動裝置之間的速度同步和力矩平衡，主從控制分為從機力矩限幅和從機力矩’控制。從機力矩控制適用于剛性連接，從機的力矩給定來自于主機的力矩輸出；從機力矩限幅適用于柔性連接，從機的力矩給定來自于主機的力矩限幅。這樣可使負載在電機之間均衡分配，從而保證各電機出力均衡和速度同步。
    功率平衡在多點驅動的帶式運輸機系統中至關重要。在變頻驅動的工作方式下，主機速度采用閉環控制，以機跟隨主機的轉矩，實現同軸的電機之間的功率平衡。
    帶式輸送機系統的監控單元是工控機（內裝組態王），它具有多種顯示和多種操作，顯示包括：帶速、電機轉速、電機電流、電機功率、料倉料位、沿線急停位置，輸送機運行及故障狀態；操作分為：啟動、急停、停止、預警、啟主機、停主機、啟給煤機、停給煤機、速度給定、工作方式轉換等。控制器PLC設有跑偏、拉線、煙霧、堆煤、打滑、灑水等符合煤礦安全規程的保護，并檢測主電機、減速器、滾筒軸承溫度；而且能檢測閘皮磨損并具有手動控制盤形閘功能；具有與上、下級輸送機及給煤機的聯鎖功能，實現前方膠帶、主斜井膠帶、給煤機的同步控制。
3、矢量變頻器
    趙莊礦選用的西門子中壓矢量變頻器SIMO-VERT MV，是具有HV-IGBT逆變器、全數字技術的有中間電壓回路的變頻器。變頻器采用閉環矢量控制方式，使整個調速范圍內轉矩特性保持較佳。根據現場控制系統的實際情況，變頻器與現有控制系統的通訊可通過變頻器配置的I/O口來實現。從PLC到變頻器的給定信號有：速度給定4—20 mA、變頻器開、變頻器停、緊急停機、輔助設備準備好。從變頻器到PLC的信號有：變頻器預備、變頻器運行、變頻器報警、變頻器故障、電機過速、變頻器過載、變壓器過熱、電機轉速4—20 mA、電機電流4—20 mA、到進線柜信號（開關合）。
    對于恒轉矩主／從傳動系統，每臺電動機使用一個1024脈沖或更高分辨率的增量型脈沖編碼器，結合閉環力矩控制技術，可以獲得最高的動態特性和速度精度。通過系統參數設置，可指定某驅動裝置為主驅動或從驅動方式，主驅動采用速度反饋控制，可以得到高性能的啟動／停車曲線，從驅動采用內部電流或力矩控制，可以實現功率平衡功能。
    驅動系統的原理見圖3。
    西門子變頻調速驅動系統僅從電網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，即部分負荷或低負荷的情況下更為明顯。
    在線直接啟動定速電機，會有一個高于額定電流6倍以上的浪涌啟動電流，這個電流中的一部分在電機內以熱能形式散發，在供電系統電網較弱的情況下，它會造成較大的壓降。
    根據不同的應用場合，西門子矢量變頻器的控制功能可以將啟動電流限制在電機的額定電流及以下的任何電流值，從而能夠降低對電機及電網的壓力。
    作為標準配置，西門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電平直流環節、3電平3相逆變橋。功率部分設計采用3電平技術擁有許多優點：高壓ICBT只需承受DC環節電壓的一半電壓；為獲得同等質量的輸出電流，變頻器的開關頻率僅約為2電平技術的1/4，因此HV -IGBT的損耗降低而效率提高；與2電平技術相比，輸出電流的特性得以改善；電機的損耗及噪音降低。電機側逆變器采用3電平電路設計，加之與HV -IGBT的性能相結合，其輸出是一個正弦電流。低的諧波分量保證在整個速度控制范圍內擁有極佳的恒轉矩和低的電機損耗。
    逆變器部分的控制是通過控制提供給每個IC-BT功率元件的觸發信號來實現的，根據事先準備好的、為減少諧波影響的脈沖波形，逆變器可向電機提供友好的輸出波形，特別是在低轉速時的平滑轉矩性能。
4運行檢驗
    根據現場輸送帶的工藝要求，3套變頻器實現主從控制，主傳動以閉環速度控制模式，兩臺從傳動則為閉環力矩控制，實現優化S形曲線啟動，使輸送系統的啟動更平穩。主從傳動之間通過適當的通訊連接，對變頻器參數進行合理設置，實現變頻器之間的負荷分配。通過基于矢量控制技術的西門子變頻器驅動系統可以使電機恒轉矩運行，使帶式輸送機系統運行平穩。
    當主傳動進行維護或出現故障時，可通過變頻器間的控制聯鎖，使兩臺從傳動變頻器中的一臺自動升級，并使被控電機成為主傳動，以確保輸送帶仍能在降負荷下工作。
5、結語
    趙莊煤礦主斜井長運距帶式輸送機系統運行至今已有1年，與其他輸送系統相比，其性能可靠、操作維護方便、經濟效益較為顯著。