變頻器在雙電機(jī)同步驅(qū)動皮帶輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用

張 普

(北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010308)

0 前言

在露天煤礦長距離皮帶輸送系統(tǒng)中，電機(jī)驅(qū)動控制是關(guān)系到整個皮帶輸送系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。對電機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、同步等控制技術(shù)要求高，控制邏輯及控制方式均復(fù)雜多變。因此，需要根據(jù)工藝生產(chǎn)過程的動態(tài)特性，經(jīng)過試驗，科學(xué)設(shè)置相關(guān)技術(shù)參數(shù)，并對控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)揮變頻技術(shù)的優(yōu)勢，合理進(jìn)行控制組態(tài)，形成了完整、可靠、成熟的控制方案，已經(jīng)成功地應(yīng)用在了北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司露天煤礦的地面生產(chǎn)系統(tǒng)中，達(dá)到了理想的效果，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

1 雙電機(jī)驅(qū)動皮帶系統(tǒng)組成

以北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)105A/B皮帶機(jī)為例，皮帶生產(chǎn)出力為2000t/h。

105A/B皮帶機(jī)全長5000米，在皮帶機(jī)頭部附近設(shè)置2臺1120kW/690V變頻調(diào)速電動機(jī)，并在電機(jī)驅(qū)動端設(shè)置電液制動器及通過聯(lián)軸器設(shè)置三級減速器，保證皮帶最大運(yùn)行速度4m/s，并可連續(xù)可調(diào)。

在電機(jī)驅(qū)動輸出皮帶處設(shè)置液壓及絞車?yán)o裝置，保證皮帶松緊合適、運(yùn)行平穩(wěn)。

雙電機(jī)布置于同平面同側(cè)位置，減速器輸出軸驅(qū)動2臺大型滾筒帶動皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)，保證皮帶在2電機(jī)同時驅(qū)動下安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

2 電機(jī)控制邏輯

三相異步電動機(jī)在接通電源瞬間，4極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速高達(dá)1500rpm，轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場的相對速度很高，故轉(zhuǎn)子電動勢和電流很大，從而定子電流也很大，可達(dá)額定電流的4－7倍，從機(jī)械特性上看，則在整個啟動過程中，動態(tài)轉(zhuǎn)矩很大，所以啟動時間很短。然而直接啟動存在以下問題:

(1)啟動電流大。當(dāng)電動機(jī)的容量較大時，其啟動電流將對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾;

(2)對生產(chǎn)機(jī)械的沖擊很大，影響機(jī)械的使用壽命。

采用變頻調(diào)速后，可通過降低啟動時的頻率來減小啟動電流。如:105皮帶電機(jī)在接通電源瞬間，將啟動頻率降至5HZ，則同步轉(zhuǎn)速只有150rpm，轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場的相對速度只有工頻啟動時的十分之一，同時，可通過逐漸增大頻率以緩解啟動過程，在整個啟動過程中，使同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速間的轉(zhuǎn)差限制在一定范圍內(nèi)，則啟動電流也將限制在一定范圍內(nèi)。另一方面，也減小了啟動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，升速過程能保持平穩(wěn)，減小對生產(chǎn)機(jī)械的沖擊。

105A/B電機(jī)驅(qū)動部分設(shè)備有電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、電機(jī)制動器、減速機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、減速機(jī)潤滑油泵以及電機(jī)溫度、減速機(jī)溫度、油壓、過濾器差壓等控制和檢測信號。為保證主電機(jī)控制的可靠性和安全性，將主電機(jī)的控制回路單獨(dú)進(jìn)行組態(tài)，其它設(shè)備的控制亦單獨(dú)組態(tài)。并在PLC控制系統(tǒng)中采用不同的輸入輸出模塊進(jìn)行信號處理，避免信號的相互交叉和干擾，提供控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。

105A/B主電機(jī)啟停控制回路中，在啟動閉鎖回路增加事故急停按鈕、皮帶拉繩急停外部停機(jī)信號以及變頻器內(nèi)部保護(hù)信號。在停止聯(lián)鎖回路增加事故急停按鈕、皮帶拉繩急停外部停機(jī)信號以及變頻器內(nèi)部保護(hù)信號。事故緊急停機(jī)信號同時作用于105A/B主電機(jī)控制回路中，保證兩電機(jī)同時動作。以達(dá)到在皮帶事故狀態(tài)下停止電機(jī)的運(yùn)行，保護(hù)皮帶系統(tǒng)人員及設(shè)備的安全。

3 變頻器調(diào)速應(yīng)用

在變頻器的應(yīng)用中，有很多場合需要進(jìn)行主從控制，當(dāng)一個傳動設(shè)備是由兩個或多個電機(jī)驅(qū)動的時候，就需要通過主從控制來分配各個電機(jī)間的負(fù)荷使其達(dá)到均勻平衡，以滿足對傳動點的控制精度。

主從應(yīng)用中主傳動是典型的速度控制，而從傳動是速度或者轉(zhuǎn)矩控制。

(1)當(dāng)主傳動和從傳動的電機(jī)軸通過齒輪或鏈條相互固定連接時，從傳動與主傳動之間不能有速度差，從傳動使用轉(zhuǎn)矩控制，其工作時只負(fù)責(zé)輸出一定比例的轉(zhuǎn)矩以減少主傳動的負(fù)荷，整個傳動的速度控制由主傳動來完成。

(2)當(dāng)主傳動和從傳動的電機(jī)軸通過傳輸帶等設(shè)備柔性連接時，從傳動與主傳動之間允許有細(xì)微的速度差，從傳動使用速度控制。

(3)在一些特殊應(yīng)用中從傳動既需要速度控制，也需要轉(zhuǎn)矩控制，原因是兩個電機(jī)軸工作時有的時候是硬性連接，有的時候是柔性連接，一般有主從控制性能的變頻器都有自由切換這兩種控制方式的功能。

北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司露天煤礦的地面生產(chǎn)系統(tǒng)，因為工藝對異步電機(jī)的同步控制要求非常高，使用的是兩臺電機(jī)控制同一條皮帶(柔性連接)，所以采用的是轉(zhuǎn)矩同步。

主從控制的關(guān)鍵技術(shù)問題是如何把主傳動的速度信號或轉(zhuǎn)矩信號高速和精確地傳送到從傳動變頻器，實現(xiàn)方法因產(chǎn)品規(guī)格型號不同會有所差別，并且在各種應(yīng)用場合中由于傳動控制精度的要求不同也可以通過不同的方法來實現(xiàn)，根據(jù)魏家峁煤礦實際運(yùn)行情況，接下來以AB的Power Flex700S系列型變頻器為例說明主從控制的幾種實現(xiàn)方法及其控制特點。

通過模擬量輸入輸出口(AI/AO)連接實現(xiàn)主從控制。Power Flex700S型變頻器的控制板上集成有可編程的兩個回路的AI(模擬量輸入口)和兩個回路的AO(模擬量輸出口)，在主從應(yīng)用中主傳動的速度或轉(zhuǎn)矩信號可以通過AO口轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4＆20mA信號輸出，而從傳動則是通過AI口接收主傳動發(fā)來的速度或轉(zhuǎn)矩給定值，這樣就可以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)實用的主從控制應(yīng)用。

在主傳動中可以應(yīng)用Power Flex700S型變頻器內(nèi)的965參數(shù)，由內(nèi)部把速度轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)當(dāng)作從傳動的給定值，連接到929參數(shù)中。在從傳動中若其是作為速度控制則把模擬輸入口數(shù)據(jù)值通過光纖連接到速度給定連接量27參數(shù)中，若其是作為轉(zhuǎn)矩控制則把數(shù)據(jù)值通過光纖連接到轉(zhuǎn)矩給定連接量319參數(shù)中，或者也可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再連接到相應(yīng)的連接口。至于變頻器的運(yùn)行命令或聯(lián)鎖控制則可以通過變頻器的數(shù)字量輸入/輸出接口來實現(xiàn)，從而實現(xiàn)主從控制。其控制特點:簡單實用，不需要投入其他的硬件設(shè)備就可以實現(xiàn)兩個變頻器間的主從控制，模擬量的輸出口分辨率為10bit+sign，輸入口分辨率為11bit+sign，響應(yīng)時間為5mS左右，若是增加軟件濾波時間則響應(yīng)時間也會跟著增加，此方法對于速度較低、控制精度要求不是很高的主從控制來說相當(dāng)方便實用，其主要的缺點是模擬信號較容易受電磁干擾，并且A/D和D/A轉(zhuǎn)換器也會有零點漂移，在實際應(yīng)用中需要特別注意。

(1)通過通訊模塊連接實現(xiàn)主從控制

Power Flex700S型變頻器的控制板上兩個有用于擴(kuò)展的插口，通訊模塊可以直接插在上面使用，變頻器通過通訊板可以作為從站和PLC等主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過PLC完成兩臺變頻器的主從控制，其接線原理圖如下(見圖1)所示:

圖1 變頻器通訊方式主從控制原理接線圖

在該應(yīng)用中主從傳動的速度或轉(zhuǎn)矩分配是由PLC來完成，PLC根據(jù)兩個傳動的控制特點把計算好的速度或轉(zhuǎn)矩值周期性地發(fā)送給變頻器，變頻器根據(jù)接收到的控制命令和給定值進(jìn)行高精度的速度或轉(zhuǎn)矩控制?？刂铺攸c:controlNer是一控制層網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)的傳送速率快，Power Flex700S變頻器通過通訊方式可以進(jìn)行32位的數(shù)據(jù)處理，通過PLC的控制兩臺變頻器可以實現(xiàn)高精度的主從控制，PLC可以通過control-Ner通訊方式中的同步功能使兩臺變頻器的運(yùn)行命令和速度或轉(zhuǎn)矩給定值實現(xiàn)同一時間接收，從而實現(xiàn)高精度和響應(yīng)快的主從控制。該種控制方式要求為每臺變頻器配置一塊controlNer通訊模塊，并且需要對PLC等上位機(jī)進(jìn)行軟件編程才能實現(xiàn)控制。所以特別適合在已經(jīng)配置有controlNer通訊網(wǎng)絡(luò)的大中型傳動中使用。速度同步是做不到真正意義的線速度同步，只能做到角速度同步。但因為存在一些機(jī)械誤差，電機(jī)誤差，機(jī)械磨損等因素，使電機(jī)運(yùn)行一段時間啟動困難等問題。如果主從電機(jī)的線速度相差很大，就會造成其中速度快的電機(jī)出力過大，使出力大的電機(jī)帶著出力小的電機(jī)運(yùn)行，出力小的電機(jī)按著自己的速度運(yùn)行，抵制出力大的電機(jī)快速運(yùn)行，導(dǎo)致皮帶過緊，這種情況在實際生產(chǎn)中是不允許的，因為這會造電機(jī)發(fā)熱燒毀或皮帶撕裂等，造成經(jīng)濟(jì)損失，影響企業(yè)的效益。

在電源進(jìn)線柜，三相690VA.C電源在10kV/690V變壓器副邊分別采用△與Y接方式引入，以便產(chǎn)生12脈沖的電壓信號，改善電源波形，減少對供電系統(tǒng)的諧波干擾。變壓器副邊采用高阻接地，以保護(hù)變頻器的安全運(yùn)行。

兩臺主電機(jī)的同步控制是通過105aVFD03柜與105bVFD03變頻器控制柜通信方式實現(xiàn)的。我們設(shè)定了以105a電機(jī)為主方式，105b電機(jī)為跟蹤方式。在105aVFD03柜中設(shè)置好頻率給定方式、頻率速率、頻率上下限等主要技術(shù)參數(shù)以及電機(jī)功率、額定轉(zhuǎn)速、電流等設(shè)備參數(shù)。

在未連接減速機(jī)及皮帶的狀態(tài)下，分別對105a、105b電機(jī)進(jìn)行了單電機(jī)運(yùn)行試驗。經(jīng)過多次模擬試驗，確定變頻器及電機(jī)的最小、最大運(yùn)行頻率，以及加減速運(yùn)行速率、運(yùn)行曲線等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。在單電機(jī)運(yùn)行方式下，未進(jìn)行兩臺電機(jī)的同步試驗，因為兩臺電機(jī)之間沒有聯(lián)系，電機(jī)轉(zhuǎn)矩亦很小，不能作為參考數(shù)據(jù)實現(xiàn)同步。

為確保兩臺電機(jī)同時運(yùn)行時同步，在接入減速機(jī)及空皮帶情況下，重新核實變頻器所有設(shè)置參數(shù)，確認(rèn)無誤后，進(jìn)行空載試驗。首先，在未投入轉(zhuǎn)矩平衡狀態(tài)下，投入轉(zhuǎn)速平衡功能，掌握主副電機(jī)的運(yùn)行特點，觀察輔電機(jī)的跟蹤特性，在不同的給定轉(zhuǎn)速情況下，匯出副電機(jī)的跟蹤曲線，進(jìn)行分析判斷。最終確定皮帶空載情況下變頻器的最佳設(shè)置參數(shù)1。其次，在在未投入轉(zhuǎn)矩平衡狀態(tài)下，投入轉(zhuǎn)速平衡功能，掌握主副電機(jī)的運(yùn)行特點，觀察輔電機(jī)的跟蹤特性，在不同的給定轉(zhuǎn)速情況下，匯出副電機(jī)的跟蹤曲線，進(jìn)行分析判斷。最終確定皮帶空載情況下變頻器的最佳設(shè)置參數(shù)2。結(jié)合上述兩種運(yùn)行方案，確定在皮帶空載情況下最優(yōu)設(shè)置參數(shù)，投入運(yùn)行試驗。經(jīng)過24小時連續(xù)運(yùn)行考驗，在0、25%、50%、75%、100%各工況下，變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，各項技術(shù)指標(biāo)完全滿足生產(chǎn)需要，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靈活、跟蹤情況良好、啟停特性優(yōu)異，充分發(fā)揮了變頻器的優(yōu)良性能，為皮帶系統(tǒng)的安全運(yùn)行奠定了堅實的基礎(chǔ)。

通過皮帶系統(tǒng)帶負(fù)荷試驗，變頻器在空負(fù)荷、半重載、重載情況下運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)生兩電機(jī)異步運(yùn)行帶來的皮帶拉扯及撕裂現(xiàn)象，保證了地面生產(chǎn)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

變頻器在大功率雙電機(jī)同步驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用，解決了在長皮帶輸送生產(chǎn)系統(tǒng)中平穩(wěn)啟動、停止及安全運(yùn)行的問題，實現(xiàn)了負(fù)荷調(diào)整的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

變頻器在北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用，有效解決了雙電機(jī)同步驅(qū)動的技術(shù)難題，避免兩臺電機(jī)啟動時轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的不平衡，從而造成皮帶拉扯撕裂現(xiàn)象的發(fā)生，保證了皮帶系統(tǒng)的長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。