皮带运输机专用高压变频器的设计0绕线电阻器
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皮带运输机专用高压变频器的设计
皮带运输机专用高压变频器的设计 2011年12月04日 来源： 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)