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皮带运输机专用高压变频器的设计 |
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作者：成都佳灵电气制造有限公司 吴加强 |
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摘 要：本文针对由3台高压异步电机拖动的皮带运输机，若采用常规高压变频器实现调速控制时，将出现对转差能量处理、多电机环流、3电机同轴同步控制等技术难度问题。设计出了一种JCC型皮带运输机专用高压变频器，成功地应用在大同马脊梁煤矿外运皮带机。共用了3台6kV/500kW高压电机的变频拖动。拓展了IGBT高压变频器在多电机的同轴、同步控制应用的新领域。
关键词：高压变频器；电动机同轴；IGBT直接串联；主从控制；共直流母线；同步控制；功率平衡；转差能量
1 引言
近几年随着电力电子技术、微电子技术、控制技术、网络化技术的高速发展，交流变频调速技术发展也十分迅速，其性能也胜过其他任何一种交流调速(如降压调速、滑差调速、液力耦合器等)方式，且结构简单，稳定可靠，调速范围广，节能显著。尤其是最近高压变频器的飞速发展，让高压电机高性能地调速变为现实。但现在多数的三电平、单元串联类的高压变频器，存在对大能量回馈时还不能解决的问题，只能应用于风机、泵类的应用领域。
大同马脊梁煤矿外运皮带机采用三台高压电机并联拖动，且电机安装在三楼，整套系统是由工作在额定转速的三台500kW高压异步电动机，通过液力耦合器与减速机减速来驱动滚筒，然后通过滚筒与皮带间的摩擦力来带动皮带运转。传动系统的配置如图1所示。
图1 传动系统的配置图
系统控制的对象是电机，一般M1和M2为同轴电机(即两台电机同时拖动一个滚筒)。这就要求电机启动有良好的同步性。系统的关键传动设备是液力耦合器，液力耦合器存在着起动力矩很小、动态响应慢的性能因素，便出现一些不理想的现象，主要表现在：
(1) 投入耦合器前要先将电机全频、全压启动后再加液压去耦合减速器。这种启动方式启动电流大，启动力矩小，投切时机械振动大、可能会使皮带受冲击大而易断。皮带主机又安装在楼上，随着使用时间的延长，楼房因剧烈振动出现严重受损;
(2) 液力耦合器的机械磨损和老化、漏油等问题日趋严重，性能逐年降低，故障率增加，设备维修费用高、难度大;
(3) 皮带机效率低，损耗大，耦合器的投入造成了耦合性无功转差，使电能浪费;
(4) 液力耦合器故障时，无法切换到工频旁路运行，必须停机检修。且维修复杂，严重地影响生产;
(5) 液力耦合器不能解决3台电机同轴传动间的同步与功率平衡关系，造成不少的无功环流电耗。
针对以上问题，经矿局相关专家在全国的考察和技术论证，选用成都佳灵电气制造有限公司生产的JCC-6kV/500kW-IGBT直接串联高压变频器，3台共直流母线方案。经局领导批准采用该方案，实现高压变频器对外运皮带机进行高性能的工艺调速、节电控制的改造计划。
2 对高压变频器主要技术条件的要求
煤炭外运皮带机是全矿的流程中枢，一旦皮带机不能正常工作，将造成全矿停产，且会造成巨大经济损失。另外高压变频器须安装在环境相当恶劣，煤灰比较重，粉尘大的场合。因此要求高压调速系统具有极高的可靠性、稳定性、防护性。基于以上工作特点，变频器设计中须满足的主要技术条件如下：
(1) 高压变频器具有高可靠性、稳定性、防护性。长期运行的质量指标;
(2) 变频器具有工频运行的旁路功能，一旦出现故障，能够让电机切换到工频运行;
(3) 高压变频器能够对3台电机的同轴同步软启动，软停止功能。起动、停止能按所设定的皮带特性曲线运行。在运行过程中能够自动地实现转差调节和功率平衡调节;
(4) 变频器的输出力矩不小于电动机额定力矩的200%，可使电机能输出200%的起动输出转矩1min。满足负载变化大的承受能力和煤炭压带时的再起动的能力;
(5） 具有制动能量和电机的转差再生能量的利用功能;
(6) 须满足煤矿电控系统的功能接口和监控要求;
(7) 皮带运输机在煤量不大和在安装皮带的情况下要求降速运行，不需要满负荷运行。利用高压变频器根据实际情况对电机进行调速，既符合工艺要求，又达到节能降耗的目的;
(8) 变频器启动过程要求平稳，无冲击，另要求体积小，好搬运;
(9) 其它条件:同轴两台电机采用共直流系统，调速系统分开，单台电机单独控制。
3 JCC型皮带运输机专用高压变频器主要设计方案
(1) 控制架构体系
采用了80C196MH六片单片机在虚拟总线的通讯格式下，任意主令其中一片为主控CPU单元，其它自动按序堆栈为从控CPU单元和子控CPU单元。再采用RS-485通讯方式与上位机监控的人机界面(彩色触摸屏)联机，形成一套皮带机电动机运行特点的智能控制系统。实现对三台电机的同轴同步软启动，软停止功能。在起动、运行、停止过程中能够自动地对转差调节和功率平衡调节。
(2) 高压变频器主电气系统架构设计
同轴两台电机采用共直流母线系统，调速系统分开，单台电机单独拖动、集中控制。高压变频器调速系统主回路如图2所示。
图2 高压变频器调速系统主回路
(3) 主回路硬件
变频器逆变器，采用成熟的佳灵JCP-6kV/500kW—IGBT直接串联高压变频器平台增、减。
(4) 变频的运行和操作
采用高压变频器调速系统对皮带运输机进行改造具体实现过程如下;变频器操作可以在本机控制，也可在远程控制。本机控制是，靠变频系统内置三台触摸屏来设定运行参数。在触摸屏上进行运行和停止操作。远控时，通过工作台来对变频系统进行外控操作。工作台上有高低速选择，可以根据工况需要来自由设定运行频率，完全可以满足工艺要求。
4 变频调速控制系统
(1) 系统方式和措施及目标
JCC型高压变频调速系统是采用直接“高—高”变换形式，为IGBT直接串联两电平控制方式。输入、输出采用本公司独特的LC滤波方式。这种方式对电网谐波污染小，输入功率因数高，可达到98％以上，谐波含量远低于5％，不存在谐波引起的电机发热、噪音、输出共模电压等问题。此高压系统针对三台电机的工作情况，在三台变频间增加主－从控制方式，其工作原理如图3所示。
图3 主－从控制原理
三台变频器通过RS-485+转换模块相互通讯，实现数据自动交换。使用中可以任意设置其中一台为主机，其余两台为从机。在现场工况中优先设置单独的一台电机为主机，同轴两台电机为从电机。
(2) 主机、从机的定义
主机是变频器群控中的首机，其他变频器都是从机，主机只有一台。在运行中只对主机控制，全部从机同步地自动跟随主机实时运算、动态运行，保持良好的主、从关系和功率平衡。按所设定目标控制运行模式稳定运行。
(3) 主机、从机的设定
在以实际的现场工艺条件中，可由用户自主地设定一台为主机，其他为从机。
(4) 主机、从机的操作运行
主机控制从机的启动和停止。向从机发出主机的设定频率参数、运行停止命令跟踪运行与状态执行指令等，收集各从机的实际运行状况和故障等信息。主机保持与外控信息输入与信息保持联系。运行中只对主机操作与运行参数设定，从机操作无效，从机跟随主机同步运行。主、从机的加、减速时间都需要设定为一致，从机在机群全部停机后或电机接线是可单独点动运行。
(5) 主－从机的功率平衡和同步
先通过触摸屏设定功率平衡系数，0~200％可调。在启动和运行过程中，通过各自变频器的直流母线电流检测，送子机CPU比较器与主机母线代码电流数值比较，获得误差信号，经CPU运算后，发出新的U/F调节的PWM波形去实现功率平衡运行。另一路送入主－从－子机间相互交换数据、存贮、各自显示新的电量参数。同时检测各自变频器的直流母线上出现的再生电压波形和电压差值，通过主机转速预置值比较、运算出转差率，再由子机CPU调节频率增益补偿的加或减值，来实现电机的同步。
(6) 主－从机的故障显示与处理
在运行中若出现故障，故障机显示“LU”“OUD”“FL”等提示。无故障机显示当前运行界面并作闪烁提示。只有故障机复位和无故障显示时方可重新启动运行。在运行中若主机出现故障全部机群作自由停止方式停机，单台从机出现故障时单台停机，其余继续运行。但在单台故障排除后，必须全部停止后再重新启动。
(7) 保护功能和显示
变频装置系统有过电压、过电流、欠电压、短路、接地、过载、过热、桥臂保护等保护功能。一旦出现故障，变频器将发出声光报警信号。所有故障情况，均在中文用户界面上显示出来，预留打印功能接口。便于用户根据故障情况采取相对措施。
5 变频系统运行情况
2004年5月底，成都佳灵电气制造有限公司将高压变频器运到矿上，6月1号开始安装，并于6月10日开始调试。经过对各项指标的检测和变负载、压带负载运行试验，效果良好。于6月28日JCC型皮带运输机专用高压变频器正式投入生产性运行。经一年的正常运行，矿局反映:不负所望，效果达到预期目的。
5.1 项目实施后的经济效益
外运皮带高压变频投入运行以来，运行情况良好，基本达到工艺要求和技术改造的目的。
通过技术改造后获得的经济效益:
（1) 减少了液力耦合器每年的检修费用;
（2) 技术改造后降低液力耦合器每年的备件费用;
（3) 改造后节约了每年的楼房维修费用;
（4) 取消了液力耦合器前后电流比较，空载时:而加的液力耦合器电流23A左右,采用变频器电流15A左右;满负荷时:加耦合器电流40～45A左右,采用变频器后电流33~38A左右，每h三台电机至少能节约共200~300kWh，按1hWh=0.5元计算，一天运行20h，一年350天可减少电费支出60万元左右。
（5) 如在煤量不正常的情况下降频使用，节能效果将更显著。
6 结束语
综上所述，本文根据了皮带运输机为多电机同轴拖动的机械性质。现在一般的IGBT高压变频器，存在着其高压变频电路方案特点，不能克服多电机同轴拖动的技术难题前提下。设计出的一种JCC型皮带运输机专用IGBT直接串联高压变频器及控制系统。经在用户现场使用获得了良好的应用效果。本技术方案产品，更加拓展了IGBT直接串联高压变频器应用领域。
《变频器世界》(end)
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(12/21/2005) |
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