高压变频器在大落差矿山皮带输送机驱动控制管理系统中的应用

  某水泥厂石灰石输送皮带机一期两条5000 t/d熟料生产线，其矿山分厂石灰石输送设置了3条石灰石运输长皮带机。全线 km，总提升高度为-446 m，由3套胶带机组成，有关技术参数见表1，系统全貌见图1。本文对高压变频器在长距离大落差矿山皮带输送机驱动控制中的应用经验进行总结，主要以表1中的1号和2号胶带机的驱动控制管理系统方式和高压变频器的选择为讨论对象，仅供参考。

  皮带机运输能力大，工作阻力小，耗电量低，运距长，且维护简单方便，在物料输送中得到普遍应用。皮带机有水平运输、向上运输、向下运输三大类，向下运输存在“滚料”和“飞车”现象，安全风险隐患大。由于胶带输送机具有弹性，在启动加速、停车减速及张力变化过程中呈现出横向振动、纵向振动以及动态张力波的传播和叠加，造成输送系统的不稳定，常常会出现胶带断裂、机械损坏、局部谐振跳带、叠带、撒料等。分析认为：驱动设备是胶带输送机的关键设备，直接影响到输送机的整机性能。早先水泥厂矿山石灰石和码头熟料输送胶带机设备选型通常用调速型液力偶合器或CST等机械和液压方式的驱动设备，效率低、维护复杂，且非线性、启动电流大、调速性能差。大的启动加速度，轻易造成胶带持续波动，张力特性较差，无法对长距离输送的皮带实现动态优化和为安全启动提供有效的保证。

  变频调速驱动控制管理系统可应用于输送机类恒转矩负载的调速驱动控制。在轻载及重载工况下,均能有效控制胶带输送机弹性负载的软启动/软停车的动态过程，实现各驱动之间的功率平衡，并提供可调验带速度。由此降低直接启动/快速停车过程对机械和电气系统的冲击，避免撒料与叠带，有效抑制胶带输送机动态张力波造成的危害，延长胶带机常规使用的寿命，既节省设备投资，又保证安全运行。

  特别是下运式皮带输送机，属于恒转矩负载，当变频器在启动和加速运行时，电机输出转矩作用于皮带驱动设备上，电机处于电动状态，当皮带带上物料后，物料重量沿皮带传输方向上的分力作用于皮带驱动装置上，并使驱动力矩逐渐增大，当此力矩大于电机的驱动力矩时，此时皮带驱动装置拖动电机转动，电机处于再生发电状态，因此就需要通过制动电阻消耗再生电能，或者通过反馈装置将电能反送给电网，以防止母线电压过冲和变频器过压。由于技术的限制，下运式皮带输送机只能配置制动装置，其功能的完善、性能的好坏，直接影响着下运带式输送机可靠与运行安全。对于大倾角下运带式输送机的制动，为保证皮带机正常开机、停车和紧急停车，避免发生意外事故，一般不直接采用机械抱闸制动，而是采用可控制动装置。目前已应用的可控制动装置主要有盘式制动器、液力制动器、液压制动器和粘液可控制动器。在四象限运行变频器应用之前，即使采用变频器驱动，下运皮带机电机处于再生发电状态时，通常系统通过设置制动电阻来消耗其电能，让电能白白地浪费在制动电阻上。这些制动方式需要配备泵、电阻等耗能设备，靠耗能来实现制动。四象限运行的变频器，电机能轻松实现从电动到发电两种状态的自由切换，并将下运式皮带机势能通过电机和变频器转换成电能回馈到电网。

  根据皮带的基本信息参数，1号、2号、3号皮带长、落差大、电机功率大，启动、停止、运行及紧急故障停机控制复杂，难度较大，从驱动设备启动控制性能、可靠性、投资、运行成本、电力输电和配送及能量消耗等方面分析比较，具体见表2。

  通过比较和论证，1号胶带机和2号胶带机选用PowerFlex70006 kV高压四象限运行变频器是最佳方案。3号胶带机选择690 V S120低压四象限运行变频器较合理。

  (1)胶带机属于下运胶带机，带载运行时电机始终处于发电状态，所以变频器应始终处于回馈状态。

  (2)由于下运胶带机的特殊性，所以要求变频器始终处于带电工作状态，任何情况下都不允许其断电(变频器故障损坏已无输出电压、电流时除外)。

  (3)1号、2号胶带机选用6kV高压变频器，所以变频器应具备高压供配电规范要求。

  (4)变频器具备主从控制多驱功能，通过光纤、编码器等反馈控制管理系统实现主从同步驱动。

  短时过载能力：在变频器额定电流160 A的基础上具备150%变频器额定输出电流1 min、每隔10 min可重复一次的过载能力;

  连续运行可承受的欠压百分比：在±10%标称电压波动范围内能满载输出，在70%～90%标称电压范围内降额继续运行;

  额定负载下的总效率(包括变压器在内)：≥96.5%(变频器本体效率≥98%);

  瞬间失电延时：在厂用电切换或短时失电主电源恢复后，变频器在0.1～1 200 s(可设定)内达到一定转速(可设定)，而不需要手动复位或调整;

  通过PLC的输出模块对变频器发出启动信号，变频器在零转速负扭矩达到最大后对PLC输出此状态信号，PLC发出开闸指令。盘闸打开后，对变频器发出已开闸信号，通过变频器输出使胶带机速度应可控从0～3.8 m/s (从0～50 Hz)开始平稳启动;通过变频器使胶带机的启动加速度控制在a=0.025～0.1 m/s2之间，启动时间大约在40～160 s(从0 ～50 Hz)。

  正常停车时，通过PLC的输出模块对变频器发出正常停车信号，通过变频器使胶带机的减速度控制在a=0.025～0.05 m/s2之间，停车时间为76～160 s(从50～0 Hz);通过变频器输出使胶带机转速

  状态信号，PLC发出盘闸关闭指令，盘闸制动时间S(5～10 s)具体根据现场盘闸制动时间确定;调整变频器停车时间=S，空载时当带速达到0 m/s(0 Hz)时变频器以对PLC输出此状态信号，PLC发出盘闸关闭指令。

  急速停车时，通过PLC的输出模块对变频器发出急速停车信号。通过变频器输出使胶带机减速度

  控制在a=0.1～0.15 m/s2左右，制动时间为27～40 s(从50～0 Hz)左右，当带速降到0.8 m/s(10 Hz)时变频器对PLC输出此状态信号，PLC发出盘闸关闭指令。盘闸制动时间S(5～10 s)具体根据现场盘闸制动时间确定，调整变频器停车时间=S(从10～0 Hz)。

  当跑偏开关动作时变频器要正常停车;当拉绳、打滑、防撕裂动作时，变频器要急速停车。

  变频器故障时立即对PLC输出此状态信号，PLC立刻发出盘闸关闭指令。有必要注意一下的是双驱动装置，变频器应考虑到两台驱动转速同步、转矩平衡及两台变频器之间的连锁和互锁等相关问题。

  (1)PLC系统配置如下模块，与变频器进行点对点接口，需要变频器进行相应配置：DI模块，变频器输出开关量点通过继电器输入到PLC;DO模块，PLC通过继电器输出开关量点到变频器;AI模块，变频器可输出4路4～20 mA信号到PLC;AO模块，变频器可接收4路PLC发出的4～20 mA信号。

  (2)速度设置分为三档，以满足多种工况下的运转：验带速度，0.4 m/s，即5 Hz;中间速度，2.4 m/s，即30 Hz;满速运行，3.8 m/s，即50 Hz。

  (3)时间设置分为三种：正常启动时加速时间为40～106 s;正常停止时减速时间为70～160 s;急速停车时减速时间为27～40 s。

  (5)变频器输入的开关量信号点： a.启动;b.停止;c.故障复位;d.急速停车;e.闸已打开;f.验带运行; g.中速运行;h.满速运行;i.加速时间1 ;j.加速时间2; k.加速时间3 ;l.减速时间1;m.减速时间2;n.减速时间3。其中i、j、k、l、m、n项通过变频器参数自行设定。

  1号长皮带设计驱动为1 250 kW电机，高差111 m，由于皮带机较短，皮带下行角度大，设计时未考虑带编码器，通过变频器参数设置，采用开环标量控制。调试和试生产期间，变频器对长皮带启动控制不稳，易引起皮带蠕动、叠带等现象。带载启动时，变频器内部的逆变功率器件损坏多次，每次损坏6块SGCT功率器件。

  2号长皮带布置为U字形，设计驱动电机安装编码器，调试带载启动时皮带有稍微蠕动，带载停机时偶然有叠带现象。通过适当调整控制程序和变频器参数，对凹弧段加密支架，带载启动、带载停机比较平稳，变频器一直未出现故障。经过对比分析，认为其最根本原因是电机未安装编码器，变频器在低速时默认电动状态;而实际上带料启动时，只要盘闸一松开，皮带机就自动下行，实际此时变频器应该拖住皮带，而不应该是电动状态。电机未安装编码器时，皮带上的料一定先清空然后再启动变频器。采用闭环矢量控制比采用开环标量控制能更好地满足低频率长皮带启动要求。通过对电机安装编码器后，采用闭环矢量控制电机运转，变频器自动区分电动和发电状态，带载启动过程平稳，未出现皮带蠕动或叠带等现象。自此变频器再也没发生功率器件损坏记录。

  变频器母线过电压，两条皮带变频器运行中出现变频器整流母线过电压报警，连续多次过压后造成变频器停止运行，皮带机跳停。针对该问题，调试专家通过示波器检测认为，整流移相变压器二次侧移相角有偏差，通过调整低压绕阻接线°移相角。通过检验测试整流变一、二次交流电压波形，满足变频器整流变移相角波形要求。经现场多次试机，到目前为止未出现整流器过电压故障。

  该水泥厂矿山石灰石1号、2号输送皮带机使用了PowerFlex7000四象限运行的变频器，在皮带机运行时使得变频器长时间处于能量回馈状态，将石灰石的势能通过电机和变频器转换的电能直接回馈到母线电网上，使得电流从电机侧经变频器送至电网。只有在皮带机运行初期阶段(即石灰石的势能未能驱动皮带)时，变频器才从电网上吸取电能;在皮带机正常运行和停止过程中，电机都处于再生发电状态(第四象限)。

  使用PowerFlex7000四象限运行的高压变频器的1号、2号胶带机，电机能自由从电动到发电两种状态的自由切换，并将石灰石的势能通过电机和变频器来转换成电能回馈到电网。1号、2号胶带机自2010年12月投入到正常的使用中，截至2013年8月底，矿山1号皮带累计总回馈电网电量500 390.0 kWh，矿山2号皮带累计总回馈电网电量为910,557.4 kWh。