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1、前言
    傳統(tǒng)的大功率、長(zhǎng)運(yùn)距帶式輸送機(jī)多數(shù)采用多電機(jī)配限矩型液力偶合器的驅(qū)動(dòng)方式，利用真空磁力啟動(dòng)器直接啟動(dòng)。滿(mǎn)載時(shí)，多電機(jī)的同時(shí)啟動(dòng)，使啟動(dòng)電流過(guò)大，對(duì)電網(wǎng)的沖擊增大，壓降增加，造成啟動(dòng)困難。它主要存在以下缺點(diǎn)：事故率高，遇重載時(shí)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易損壞液力偶合器油封，或易熔合金塞熔化噴出油介質(zhì)；液力偶合器啟動(dòng)沖擊比較大，且高速運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)減速機(jī)高速軸影響很大，容易造成減速機(jī)高速軸軸承損壞、機(jī)殼磨損等。
    義煤集團(tuán)公司耿村煤礦井下東區(qū)主帶式輸送機(jī)采用4臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)，由工作在額定轉(zhuǎn)速的4臺(tái)200kW1660V異步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)拖動(dòng)，通過(guò)液力偶合器、減速機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒，控制方式為常規(guī)三相交流真空接觸器控制，由于電機(jī)直接啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)頻繁，接觸器損壞嚴(yán)重，電機(jī)經(jīng)常燒損，而且直接啟動(dòng)使輸送機(jī)起動(dòng)加速度大，對(duì)硫化接頭、減速機(jī)齒輪、軸承沖擊較大，故障率非常高。為此將控制系統(tǒng)改造為變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)，改善其啟動(dòng)條件，實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的軟啟動(dòng)，即在一定的啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)，控制啟動(dòng)加速度，使其按所要求的速度曲線(xiàn)平穩(wěn)地啟動(dòng)，逐步達(dá)到額定運(yùn)行速度，同時(shí)使電機(jī)的啟動(dòng)電流和輸送帶的啟動(dòng)張力控制在允許范圍內(nèi)。
2、變頻調(diào)速性能分析
    三相交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為
    在保持p、s不變的條件下，通過(guò)改變定子交流電頻率，即可改變同步轉(zhuǎn)速no，就可以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過(guò)電流之間相互作用而產(chǎn)生的，電機(jī)主磁通在電壓不變時(shí)，隨頻率改變而改變。如果主磁通減少，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩減小，主磁通增加，磁路飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電流發(fā)生畸變。
    為保證主磁通恒定，充分利用電機(jī)額定功率，避免磁通欠勵(lì)磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生，在低頻時(shí)輸出最大轉(zhuǎn)矩，提高帶負(fù)載能力，在變頻的同時(shí)還要變壓，實(shí)現(xiàn)頻率與電壓協(xié)調(diào)控制，使電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩保持不變，頻率變化前后過(guò)載能力相等，電機(jī)在速度變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中輸出恒定轉(zhuǎn)矩，即頻率變化而電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變，從而可以獲得良好的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性，滿(mǎn)足帶式輸送機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的運(yùn)行要求。其變頻調(diào)速的機(jī)械特性如圖1所示。
    通過(guò)與以往的定子調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速，液力偶合器調(diào)速等相比較，變頻調(diào)速在調(diào)速范圍、動(dòng)態(tài)品質(zhì)、系統(tǒng)效率、靜態(tài)精度、完善的保護(hù)功能、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和過(guò)程控制、多電機(jī)功率平衡調(diào)整等方面具有顯著的優(yōu)越性。
3、變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用
    選用VACON公司與上海申地公司生產(chǎn)的BPJl- 250/660型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器及控制系統(tǒng)，變頻器由32位微處理器控制，采用具有現(xiàn)代先進(jìn)水平的絕緣柵雙極晶體管作為功率輸出器件，脈沖寬度調(diào)制開(kāi)關(guān)頻率高，磁通電流控制功能改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)和電機(jī)特性，多臺(tái)變頻器采用主從聯(lián)動(dòng)方式，變頻器通過(guò)RS485口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主從機(jī)雙向通訊。其變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)配置原理如圖2所示。
3.1變頻器基本性能參數(shù)
    (1)額定輸入電壓UN: AC660V，50Hz，電壓波動(dòng)范圍-15%～+10%；
    (2)直流線(xiàn)電壓UDN：(870)  910V；
    (3)輸出頻率^：(0～120Hz u/f =Const)；
    (4)起動(dòng)頻率：(0.5～50)  hz，頻率分辨率0.01Hz;
    (5)工作溫度：0—40℃；
    (6)冷卻方式：熱管冷卻；
    (7)功率因素：Cos甲>O.9；
    (8)效率：q>O. 97
3.2  變頻器主電路
    變頻器主電路由輸入、整流、濾波、逆變4部分組成，三相交流電經(jīng)整流濾波變?yōu)橹绷鳎�直流再逆變�(yōu)轭l率、電壓任意可調(diào)的三相交流電。直流中間環(huán)節(jié)并聯(lián)電容，由于大電容的作用，主電路直流電壓比較平穩(wěn)，內(nèi)阻很小，具有電壓源特性，屑電壓型變頻器，在調(diào)速系統(tǒng)中，因電機(jī)為感性負(fù)載，電容同時(shí)兼作緩沖無(wú)功功率的儲(chǔ)能元件。逆變部分采用絕緣柵雙極晶體管(簡(jiǎn)稱(chēng)IGBT)。逆變部分的每個(gè)橋臂均由一個(gè)IGBT和一個(gè)反向并聯(lián)的續(xù)流二極管所組成，續(xù)流二極管的作用是為負(fù)載的滯后電流提供一條反饋到直流電源的通道。為了減少諧波影響提高電機(jī)的運(yùn)行性能，采用對(duì)稱(chēng)的三相正弦波電源為三相交流電動(dòng)機(jī)供電，逆變器采用正弦波脈寬調(diào)制( SPWM)控制方式，整流部分直接采用不可控二極管整流器件，使電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)和波形大為改善。
3.3變頻器主從機(jī)的控制
    4臺(tái)變頻器之間通過(guò)RS485十轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行相互通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)交換。使用中可以任意設(shè)置其中一臺(tái)為主機(jī)，主機(jī)是變頻器群控中的首機(jī)，其他都是從機(jī)，在運(yùn)行中只對(duì)主機(jī)控制，全部從機(jī)同步地自動(dòng)跟隨主機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)良好的主、從關(guān)系目標(biāo)控制運(yùn)行模式。主機(jī)、從機(jī)的加減速時(shí)間設(shè)定相同，從機(jī)也可以在機(jī)群全部停機(jī)后或電機(jī)接線(xiàn)時(shí)，單獨(dú)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行。主、從機(jī)的功率平衡調(diào)試可通過(guò)液晶屏設(shè)定功率平衡系數(shù)，0%—200%可調(diào)。在啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中，主從機(jī)間相互交換數(shù)據(jù)，當(dāng)主從機(jī)不平衡度達(dá)到和超過(guò)設(shè)定值時(shí)，主從機(jī)間自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，使主從機(jī)保持功率平衡。
3.4變頻器的運(yùn)行、操作和故障維修
    變頻器的操作可以在本機(jī)控制，也可以在遠(yuǎn)程控制。本機(jī)控制是依靠變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)置液晶屏來(lái)設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，在液晶屏上進(jìn)行運(yùn)行和停止操作。遠(yuǎn)控時(shí)，通過(guò)操作臺(tái)來(lái)對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行外控操作，可以選擇高低速，也可以根據(jù)工況設(shè)定運(yùn)行頻率。
    在運(yùn)行中若出現(xiàn)故障，全部機(jī)群將以自由停車(chē)方式停機(jī)，只有排除故障、復(fù)位，在無(wú)故障顯示時(shí)才能重新啟動(dòng)運(yùn)行。變頻器維修的關(guān)鍵是找出初始故障點(diǎn)和故障發(fā)生的關(guān)鍵原因，在處理之前，須對(duì)變頻器的工作原理、結(jié)構(gòu)、器件組成、功能等有深入的了解和認(rèn)識(shí)，查看值班故障記錄及運(yùn)行記錄，并查詢(xún)、閱讀故障信息，變頻器在運(yùn)行中若出現(xiàn)故障，液晶屏將顯示故障代碼“Fl”“F2”“F3”等和對(duì)應(yīng)故障的英文簡(jiǎn)明說(shuō)明“OC”等，以便于故障的分析和檢查。
4、變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行情況及經(jīng)濟(jì)效益分析
    該系統(tǒng)于2004年10月15日開(kāi)始調(diào)試，在沒(méi)有去掉液力偶合器的情況下試運(yùn)行成功，并投入正式運(yùn)行。由調(diào)試和運(yùn)行情況來(lái)看，變頻調(diào)速系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比較，具有以下明顯特點(diǎn)：
    (1)重載啟動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)沖擊，同步性好，自動(dòng)達(dá)到功率平衡。主從控制功能實(shí)現(xiàn)了良好的四電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，確保重載啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)輸出最大轉(zhuǎn)矩，軟啟動(dòng)過(guò)程中幾乎無(wú)沖擊，大幅度降低輸送帶硫化接頭的動(dòng)張力，延長(zhǎng)硫化接頭的使用壽命，并降低了對(duì)減速機(jī)齒輪及軸承的沖擊力。
    (2)電氣保護(hù)功能完善。主回路實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)化，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。變頻裝置具有過(guò)電壓、過(guò)電流、欠電壓、短路、接地、過(guò)載、過(guò)熱、橋臂保護(hù)等保護(hù)功能，并取消了常規(guī)控制中的接觸器等器件，電機(jī)燒損率幾乎為零，提高了帶式輸送機(jī)的運(yùn)行可靠性。
    (3)節(jié)能效果明顯，降低用電量，節(jié)約了電費(fèi)。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，原控制方式空載運(yùn)行電流為65A，重載運(yùn)行電流為160～166A；采用交頻調(diào)速后，空載運(yùn)行電流為48A，重載運(yùn)行電流為130～140A。4臺(tái)電機(jī)每小時(shí)節(jié)約電能至少為llokWh，按0. 35元/kWh計(jì)算，日運(yùn)行20h，每年可節(jié)約電費(fèi)28萬(wàn)元。
    (4)改造后輸送機(jī)幾乎是零故障運(yùn)行，變頻調(diào)速的特性保證了啟動(dòng)和加速時(shí)具有足夠轉(zhuǎn)矩，尤其是有效改善了重載啟動(dòng)困難問(wèn)題，最大限度降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
5、結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)傳統(tǒng)控制方式進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，帶式輸送機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，可以使電機(jī)啟動(dòng)電流限制在額定電流1.5倍以?xún)?nèi)，以選定的加速度平穩(wěn)升速，延長(zhǎng)了電機(jī)、減速機(jī)及膠帶接頭的使用壽命，且節(jié)能效果明顯。