大功率变频器在大型矿用胶带运输机上的应用探讨复制Word文件下载.docx
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带式输送机的负载特性、自适应控制方式、转速和转矩的配合关系、双S曲线启动方式、减力停车、“零速”抱闸。
带式输送机因其系统构造简单运行稳定性较高,在煤炭行业各环节中担负着输送矿料的作用,驱动功率大、驱动点数量多、传送距离长等特点是目前矿用大型带式输送机的特点。
在国内变频器在带式输送机上的应用,最早主要是解决大功率电机直接启动对电网的冲击问题,变频器本身仅作为“软启动”装置,但是,因变频器本身具有很强的速度、转矩控制能力,因此,在实际的应用中逐渐被结合到带式输送机的实际工艺中,变频器不再仅仅作为“软启动”装置,而是成为带式输送设备的一种较好的驱动控制方式。
下面从几个方面对变频器驱动方式的应用进行一些探讨:
1、紧密结合皮带机工艺,合理选择驱动方案
设计是项目顺利实施的一个关键,变频传动装置在大型带式输送机的驱动应用上不光要结合工艺进行选型,且需要通过变频传动装置与控制系统的配合达到实际的应用目的,这就要求工艺设计与电气配套采用一体化的思路,同时也应该配合实际选用的变频传动装置的功能特性进行合理配置,通常在变频装置的选用和设计上需配合带式输送机的工艺作如下几方面考虑:
◆曲别于恒转矩运行方式的带式输送机的负载特性;
该问题是带式输送机采用变频驱动方式首先需要考虑的问题,一般来讲变频器适用的负载特性分为:
恒转矩应用和变转矩应用两种方式②,依据变频装置在驱动带式输送机需控制电机输出相对恒定的转矩这一特性可将带式输送机归类到恒转矩应用,但针对煤炭行业的应用特性,带式输送机在原煤系统中承载的物料粒度相对较大,物料下落时对设备的冲击较大,因此,要求传动装置在能提供相对恒定的转矩基础上,能及时响应负载因物料下落的冲击而产生的变化,因此,在变频装置的选型及配置上依据实际应用首先应考虑到其过载能力及抗负载冲击能力。
◆带式输送设备驱动点轴功率选择,驱动电机的电压等级;
该因素涉及到电机电压等级问题,从而直接决定了变频装置的电压等级的选择。
根据实际的应用实例驱动点功率在800kw以下时可以选择低压传动装置(设备额定电压在1kv以下),因低压交流传动装置设备本身的技术成熟度、造价、维修便易程度等因素,驱动点功率在800kw以下时,综合系统投资维护等因素采用低压变频驱动方案相对较为合理,但该方案存在配电设备相对较多、负载侧的运行电流较大、除变频装置外的外围投资较大的缺点;
当驱动点功率大于800kw时,选用中压变频装置③(电压等级在1kv~10kv),从系统造价、负载运行电流等问题上综合考虑,采用中压变频驱动装置是相对合理的方案,但由于中压驱动装置本身的结构和技术手段的不同在实际应用中仍然处于争论中——现国际知名厂商生产的高性能中压传动装置因与低压传动装置相似的拓扑结构、设备中采用高压功率管件构成传动装置造价较高、维护技术难度大,,而中压传动装置的另一种结构(采用低压功率器件构成的,多单元串连结构的变频装置)该结构特点决定该类传动装置属风机泵类专用型变频器,多应用在风机、泵类变转矩负载上④,因其该结构采用低压功率器件成本相对较低,现在国内煤炭行业的大型带式输送上也有应用。
◆栈桥的坡度、角度、带速、运量、驱动滚筒的安置方式、是否存在发电工况等问题;
因本文主要探讨内容是传动装置的应用,实际上皮带机机械部分从设计角度来讲相对比较复杂,但推究到理论上无论是依据经典的“欧拉定理”还是“逐点计算原理”对带式输送机的圆角周力的特性分析,最终都离不开滚筒驱动原理,与常规带式输送设备的驱动方式不同的是,变频驱动方式能精确地控制电机的转矩和速度,显然,从理论角度来说变频驱动方式在长距离大功率复杂工况条件下,无疑是带式输送设备较好的驱动方式。
◆驱动点数量及设计方式——头部单驱动方式、头部共轴驱动方式、头部多驱动方式(3个驱动点以上)、头尾驱动方式、头中尾驱动方式等等;
优化驱动方式及驱动点的设置从系统设计角度来说,可在同等方式下降低对胶带带强的要求和提高系统安全系数①,针对多驱动点设计特点,采用变频驱动方式不仅仅是装置数量上的增加,驱动设备间的控制协作成为最主要的因数,在后文中“多驱动点间速度及转矩的协调”中有针对性的阐述。
◆变频装置选用涉及的其他问题;
变频装置属于电气设备,从设备安装、接地方式,附属配电设备的选择等等很多方面都需要考虑,一般来讲主要涉及:
Ø
设安置地点与驱动点间的距离;
变频装置对电网的干扰及谐波处理;
变频装置与控制系统的集控方式及接口形式;
对弱电系统的干扰;
连接电机的类型及相关问题;
实现相对特殊的功能如:
对处于发电工况的带式输送设备采用可回馈方式的变频装置等较为特殊的应用问题;
从项目投资角度出发,还存在变频装置实际应用方案的选择如:
针对谐波治理问题可选用多脉波整流方案、针对发电工况选用四象限传动装置、针对驱动功率选择变频器的电压等级②等等,这都将导致变频装置本身的造价及辅助系统的造价的变化。
2、明确带式输送机的控制要求,结合变频器特性优化系统控制;
带式输送设备的输送带在实际的运行中各点的受力不均匀,原因主要是由于各点承受的阻力不同,但最大拉力点产生于驱动滚筒的“趋入点”外如右图所示:
而传送带最小拉力却不固定。
根据这一特点,在带式输送机起动时,根据胶带张力传递特性,张力由驱动点与胶带运行方向相反的方向进行传递,且张力是以恒定的速度进行传递的,因此,起动/停车速度过快会都导致应力波的产生,并对设备产生一定的危害⑤,所以从理论角度出发,带式输送设备的起、停控制需采用缓起缓停的方式,甚至针对采用机械制动方式的带式输送设备提出了“零速抱闸”的要求,这点对于长距离工况复杂的带式输送机的驱动控制显得尤为重要,一般情况下,特长距离带式输送机的起动加速度不大于0.05m/s2,中长距离带式输送机的起动加速度不大于0.1m/s2①。
变频器主要的特点就是对电机的速度和转矩的控制能力强,因此依据这一特性,带式输送机采用变频驱动方式时的起、停控制可以达到较理想的状态,通常来讲变频器控制电机的加速曲线如图示一所示:
图示一图示二
通过对变频器加、减速时间T1、T2的调整,可以改变加速曲线的斜率从而改变起动的加速度,但变频器控制电机加减速时间是有性能参数限制的一般是0~3600秒②,针对于长距离带式输送机来讲直接采用这种方式仍然不能满足,根据变频装置的本身特点进行优化控制如图示二所示的起动曲线——双S形起动曲线,与前者不同的是,经过0~T1时间内的短时加速后,变频装置可控制电机在T1~T2时间内低的速运行一段时间,待张力分布均匀后,变频器控制电机再次加速达到额定转速,这一起动过程可大幅度降低系统的冲击,同时采用这种方式也可降低对胶带带强的要求,T1~T2的低速时间段可依据带式输送机的长度进行相应设置,但这需要外围控制系统进行配合,实现系统的优化控制。
3、多驱动点间速度及转矩的协调
控制精度决定于变频器的控制方式,无传感器的矢量控制方式(以西门子为代表)和DTC直接转矩控制方式(以ABB为代表)这两种控制方式虽然源于不同的控制思想⑥,两者都属于控制精度较高、较先进的控制方式,不过对于驱动带式输送机来讲,较高的速度和转矩控制精度似乎重要性并不高,但是,对于驱动方式相对复杂的带式输送机的驱动控制来讲,因传动设备需协调驱动点电动机的速度和转矩,为提高控制精度往往通过在负载侧增加转矩和速度检测环节,而先进的控制方式(无传感器的矢量、DTC控制方式)具备较高的转矩和速度的控制精度,无需外围转矩、速度控制环节⑥,因此,采用先进的控制方式可简化控制系统结构提高控制系统的鲁棒性。
为了降低对带强要求长距离带式输送机在设计上多采用多驱动点驱动方式,驱动点可分布于输送带头、中、尾几个部位①,实际上变频装置应用在多驱动点的带式输送机上,主要的应用难点实际在于各驱动点间的功率分配,从理论角度分析各驱动点间的力矩平衡是确保设备稳定运行的关键,以下图示中的带式输送机为例:
驱动点位于头部和尾部,由于传送带本身属于粘弹性特性,输送带在满载和空载状态下的拉伸长度不同,故输送带长度的变化需头、尾两驱动点间的转速差来找正,变频装置以转矩为前提条件控制电机的速度,然而,如何能较好的平衡驱动点的出力,控制系统的结构也
是一个关键环节,如下图所示中的两种较典型的控制结构:
第一种控制系统的结构中控制主体在于外围PLC系统,PLC系统通过对比外围检测环节的反馈的电机实际运行状态和变频器运行状态的反馈信号进行对比,运算后通过模拟量信号控制两变频器的出力,与第二种控制系统结构相比,该控制方式结构相对复杂,如果系统中负载侧的检测环节出现问题,将给系统控制带来一定的问题,当然,如果将第一种控制方式中的外围检测环节取消,控制系统采用开环方式,PLC通过模拟量型号采集变频装置的运行状态,同时通过模拟量信号控制两变频器的输出,但是,由于信号模拟两输入、输出信号在线路上的衰减会控制中产生一定的误差。
根据实际的应用实例,当两驱动电机采用共轴连接方式时,控制系统的误差最终反映到电机的转矩输出上,转矩通过减速机放大,因此,带式输送机采用变频驱动方式后如转矩平衡不好,且变频装置具有转矩过载能力的特性,很容以导致减速机齿轮被损坏设置滚筒轴承断裂。
如上图示中第二种控制结构中的PLC实际不参与传动装置间的力矩平衡控制,两变频器间采用光纤通讯方式(或其他方式),两变频器间通过自身的软件来自主协调驱动点间的转矩输出,显然,这种自适应的控制方式具有较好的转矩平衡能力,但要求变频装置本身具有这方面功能⑦。
伴随着新技术、新材料的发展和应用,带式输送及机在技术和应用方面有了更加广泛的领域,而变频装置无论从控制精度还是性能上也将不断提高,带式输送机采用变频驱动方式实际涉及的内容较多,本文仅从几个方面进行了简单的探讨,为实际的应用提供一些参考。
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吴忠智,吴加林.变频器应用手册,2001
(2)
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