ATV1100高壓變頻器在煤礦長距離皮帶機(jī)上的應(yīng)用

，，

（施耐德電氣（中國）有限公司，北京 100102）

1 引言

某礦井采煤機(jī)掘進(jìn)出來的煤通過Ⅱ－3煤大巷帶式輸送機(jī)直接將原煤送入主斜井皮帶。主井口至Ⅱ－3煤大巷平帶式輸送機(jī)大巷的傾斜距離為1 054m，高壓電機(jī)變頻調(diào)速裝置在主井井口，通過電纜輸送至帶式輸送機(jī)傳動(dòng)裝置硐室。也就是說變頻器裝置連接到電機(jī)主動(dòng)力電纜的長度為1 054m。在井下II－3煤大巷使用的長距離膠帶輸送機(jī)中，使用3臺(tái) YB630S2－4，900kW，6kV 的防爆電機(jī)做為皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。皮帶全長2 000m，采用3臺(tái)ATV1100 6kV 900kW施耐德高壓變頻器進(jìn)行拖動(dòng)，3臺(tái)變頻器之間采取負(fù)荷平衡方案，其中主滾筒由機(jī)械耦合的2臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)，采用了精度較高的主－從控制方案。使得在皮帶運(yùn)行時(shí)，負(fù)載被平均地分配給3臺(tái)電機(jī)。并且為了改善皮帶的動(dòng)態(tài)性能，同樣利用變頻器的調(diào)速簡單且精度高的特性，使用優(yōu)化的S曲線，并且可以保證1 054m長動(dòng)力電纜（中壓變頻器到電機(jī)的動(dòng)力電纜）的輸出曲線特性不會(huì)發(fā)生畸變，保證電機(jī)的正常運(yùn)行。

2 三驅(qū)長膠帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖1為三驅(qū)皮帶機(jī)電控系統(tǒng)工藝圖。

圖1 三驅(qū)皮帶機(jī)電控系統(tǒng)工藝圖Fig.1 Three drives belt conveyer electric system control diagram

1）主驅(qū)動(dòng)滾筒。在圖1中，1＃，2＃電機(jī)同軸連接，提供整條皮帶的主驅(qū)動(dòng)力，采用主－從控制。

2）輔驅(qū)動(dòng)滾筒。由3＃電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，主要作用是在啟動(dòng)時(shí)將主滾筒與輔滾筒之間的膠帶進(jìn)行張緊，以便主滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以增強(qiáng)主滾筒與皮帶間的摩擦力。

3）液壓張緊裝置。安裝在皮帶的尾部，主要作用是在啟動(dòng)時(shí)張緊下皮帶，增強(qiáng)輔助驅(qū)動(dòng)滾筒與下皮帶之間的摩擦力。

4）堆煤傳感器。由于提升的貨物是潮濕的，皮帶在卸貨物后，上面仍殘留一些煤渣，這時(shí)候轉(zhuǎn)到拖動(dòng)滾筒上，就會(huì)使拖動(dòng)滾筒直徑變大；誤差越大，系統(tǒng)中電機(jī)的功率差異就會(huì)越大。采用堆煤傳感器可以提醒用戶定期清理煤渣。

5）緊急閉鎖開關(guān)。又被稱作拉繩開關(guān)，當(dāng)皮帶沿線出現(xiàn)安全隱患時(shí)通過人為操作可以使整條皮帶緊急停車。

6）二級(jí)跑偏開關(guān)。檢測(cè)皮帶與滾筒之間的錯(cuò)位程度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)緊急停車并進(jìn)行人為處理。

7）縱撕傳感器。檢測(cè)皮帶被拉伸后或是由加減速以及負(fù)載變化時(shí)皮帶收縮產(chǎn)生的縱向波，嚴(yán)重時(shí)會(huì)緊急停車進(jìn)行修復(fù)。

8）多功能廣播電話信號(hào)機(jī)。用于在皮帶準(zhǔn)備全線啟動(dòng)時(shí)發(fā)出鳴笛或預(yù)警信號(hào)，屬于生產(chǎn)安全設(shè)施。

3 ATV1100驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置方案

3.1 ATV1100產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)

ATV 1100高壓變頻器覆蓋電壓等級(jí)從3.3kV至10kV，裝置容量從350kV·A至10MkV·A，可以滿足絕大部分工礦企業(yè)里高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。該系列變頻器輸入側(cè)采用干式移相變壓器，二次側(cè)為多繞組輸出，繞組間的移相角度相差10°，可以提供36脈沖整流方式。對(duì)于電網(wǎng)供電5次、7次諧波的抑制非常出色，THDI＜1%。ATV1100的功率單元為先進(jìn)的三電平設(shè)計(jì)，每個(gè)功率單元都可以被看成是一個(gè)12脈沖交－直－交單相交流變頻器。由于ATV1100采用三電平技術(shù)，串聯(lián)升壓單元的數(shù)量僅是2電平技術(shù)單元數(shù)量的一半，每個(gè)功率單元的輸出能力大大提高，瞬間輸出電壓是普通2電平技術(shù)功率單元的2倍，大大彌補(bǔ)了單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)高壓變頻器由于單元串聯(lián)數(shù)量多而引起輸出電壓提升慢的缺陷。

3.2 ATV1100驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置方案

如圖2所示，此礦三驅(qū)長皮帶采用3臺(tái)施耐德ATV1100 6kV 900kW高壓變頻器，其中M1與M2為同軸連接，M3采用單獨(dú)拖動(dòng)方式。M1，M2電機(jī)采用主－從模式控制，M3電機(jī)采用力矩低垂Droop功能控制。由于皮帶機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間較長，所以變頻器經(jīng)歷低速區(qū)的占空比較大。為了保障電機(jī)在低速區(qū)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)及平穩(wěn)度，系統(tǒng)對(duì)3臺(tái)被拖動(dòng)電機(jī)安裝了速度編碼器并采用6倍頻的方式安裝在G1，G2，G3減速機(jī)上。

圖2 ATV1100驅(qū)動(dòng)與PLC控制系統(tǒng)圖Fig.2 ATV1100VSD and PLC control system diagram

PLC控制系統(tǒng)采用施耐德高端的Quantum系列，由于皮帶系統(tǒng)對(duì)3臺(tái)變頻器給定速度曲線精度要求較高，3臺(tái)變頻器與PLC之間采用的信息交互沒有采用硬接線方式，而是采用Modbus總線通訊方式。

XBTGT4330為施耐德傳動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)控畫面，可以監(jiān)控變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，皮帶沿線各個(gè)安全電氣系統(tǒng)連鎖狀態(tài)，以及液壓張緊裝置的運(yùn)行狀態(tài)。還可以監(jiān)視到3臺(tái)電機(jī)的速度曲線和電流轉(zhuǎn)矩曲線。

3.2.1 Droop功能在3號(hào)輔助滾筒上的應(yīng)用

如圖3所示為Droop力矩下垂反饋功能圖。

圖3 3號(hào)輔助滾筒軟件Droop功能圖Fig.3 Number 3roller VSD Droop function block diagram

對(duì)于速度指令值Nref與速度檢測(cè)器Ndet的偏差，進(jìn)行比例運(yùn)算（P）和積分運(yùn)算（I），各自的運(yùn)算值相加，進(jìn)行PI運(yùn)算。

當(dāng)速度調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到限幅值時(shí)，PI運(yùn)算與IP運(yùn)算不同，PI運(yùn)算時(shí)，通過限制P（比例分量）的輸出限制I（積分分量）的輸出，IP運(yùn)算值是基于限制I（積分分量）的輸出限制P（比例分量）的輸出，Droop屬于IP運(yùn)算。

“droop下垂反饋”功能塊的輸入源取自速度PI調(diào)節(jié)器的I（積分分量），“下垂反饋”功能塊的輸出作為速度調(diào)節(jié)器輸入端的附加值進(jìn)行干預(yù)。總體思想要使“下垂功能”的附加補(bǔ)償量在皮帶機(jī)整體運(yùn)行的速度曲線中任意時(shí)刻所需的補(bǔ)償值都會(huì)比較平均，盡量不會(huì)出現(xiàn)加速補(bǔ)償多，勻速補(bǔ)償少的現(xiàn)象。如圖4所示。

圖4 3號(hào)輔助滾筒Droop補(bǔ)償量值計(jì)算功能圖Fig.4 Number 3roller VSD droop supplement calculation function diagram

從圖4中可以看出，“n＿setpoint additional”在整個(gè)速度運(yùn)行范圍內(nèi)的補(bǔ)償量基本相等，當(dāng)然也可以根據(jù)皮帶機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)載特性后期進(jìn)行修正，通過改變x－ywerte中1－10的速度參考點(diǎn)來設(shè)置對(duì)應(yīng)的y1－y10比例系數(shù)。由于皮帶機(jī)只能正轉(zhuǎn)運(yùn)行，所以我們只用到x6－x10，y6－y10第1象限即可。隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速的提高系數(shù)y值增大，與“I＿partn／f”速度調(diào)節(jié)器的積分分量乘積量化后，作為最終的速度給定補(bǔ)償量。

在皮帶機(jī)低速啟動(dòng)階段，速度主給定－實(shí)際速度反饋＝Δn（轉(zhuǎn)速偏差）會(huì)比較大，導(dǎo)致I（速度積分分量）較大并且值為正值，為了不產(chǎn)生過補(bǔ)償引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，將這個(gè)較大的I（速度積分分量）與一個(gè)較小的y6系數(shù)相乘控制最終的“n＿setpoint additional”速度調(diào)節(jié)器的附加給定值，同時(shí)將這個(gè)附加給定值乘以“－1”后對(duì)速度調(diào)節(jié)器的給定端進(jìn)行附加補(bǔ)償。補(bǔ)償后的效果體現(xiàn)為在啟動(dòng)時(shí)由于給定速度值快速上升，但由于負(fù)載較重不能及時(shí)跟隨，為了使電機(jī)不發(fā)生過載，此時(shí)用乘以“－1”后的速度附加給定值（負(fù)值）對(duì)速度主給定值進(jìn)行補(bǔ)償，最終使主給定值上升的速度變緩，可以避免電機(jī)過載運(yùn)行，這也是Droop軟化電機(jī)機(jī)械特性曲線的體現(xiàn)。

在皮帶機(jī)高速運(yùn)行階段，速度主給定－實(shí)際速度反饋＝Δn（轉(zhuǎn)速偏差）會(huì)比較小，導(dǎo)致I（速度積分分量）較小并且值為正值，為了能產(chǎn)生一定量的補(bǔ)償干預(yù)系統(tǒng)的運(yùn)行，將這個(gè)較小的I（速度積分分量）與一個(gè)較大的y9，y10系數(shù)相乘控制最終的“n＿setpoint additional”速度調(diào)節(jié)器的附加給定值，同時(shí)將這個(gè)附加給定值乘以“－1”后對(duì)速度調(diào)節(jié)器的給定端進(jìn)行附加補(bǔ)償。補(bǔ)償后的效果體現(xiàn)為在高速運(yùn)行時(shí)由于負(fù)載波動(dòng)引起速度偏差，為了使電機(jī)不發(fā)生過載，此時(shí)用乘以“－1”后的速度附加給定值（負(fù)值）對(duì)速度主給定值進(jìn)行補(bǔ)償，最終使主給定值略微降低，可以避免電機(jī)過載運(yùn)行。

在皮帶機(jī)整個(gè)運(yùn)行階段，如果出現(xiàn)速度主給定－實(shí)際速度反饋＝Δn（轉(zhuǎn)速偏差）為負(fù)值，說明此時(shí)皮帶機(jī)由主驅(qū)動(dòng)滾筒使皮帶的實(shí)際速度大于3＃輔助滾筒的速度給定，如果不對(duì)3＃滾筒的驅(qū)動(dòng)控制加以調(diào)整，會(huì)導(dǎo)致3＃滾筒電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，這種現(xiàn)象很危險(xiǎn)，不僅會(huì)對(duì)機(jī)械上造成一定損傷，也會(huì)損壞電氣驅(qū)動(dòng)裝置。為此采用Droop功能也可以避免此現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)出現(xiàn)速度主給定－實(shí)際速度反饋＝Δn（轉(zhuǎn)速偏差）為負(fù)值，通過乘以“－1”后的速度附加給定值（正值）對(duì)速度主給定值進(jìn)行補(bǔ)償，最終使主給定值略微增加去逼近皮帶轉(zhuǎn)速實(shí)際值避免電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行。

3.2.2 主－從功能在1＃，2＃主滾筒上的應(yīng)用

圖5中所示主機(jī)Master和從機(jī)Slaver的速度給定值Nref源于主控PLC系統(tǒng)。為了使雙機(jī)的給定速度保持絕對(duì)的一致性采取通訊方式來完成。

主機(jī)變頻器進(jìn)行電機(jī)辨識(shí)后建立主機(jī)的電機(jī)模型，同時(shí)將主機(jī)的電機(jī)模型完全不變的拷貝到從機(jī)變頻器中，保證雙機(jī)變頻器的電機(jī)模型完全相同。

圖5 主驅(qū)動(dòng)滾筒1＃，2＃電機(jī)主－從控制功能圖Fig.5 Main driving roller 1＃and 2＃ masterslave control function diagram

安裝在主電機(jī)側(cè)減速機(jī)上的速度編碼器N1檢測(cè)作為速度檢測(cè)的同時(shí)也作為速度反饋參與控制，并將其分別連接到1＃主機(jī)變頻器，2＃從機(jī)變頻器的速度檢測(cè)端。保證了雙機(jī)速度反饋的一致性。

I＿Part為主機(jī)變頻器速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的積分分量。將其作為轉(zhuǎn)矩附加值通過通訊的方式傳遞給從機(jī)變頻器并連接到轉(zhuǎn)矩附加值給定通道。

將從機(jī)變頻器速度調(diào)節(jié)器的積分功能鎖死，只保留速度調(diào)節(jié)器的P比例功能。

主－從功能說明：圖5中所示的主－從功能圖和以往的一個(gè)速度調(diào)節(jié)器兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器的主－從功能有所差異，圖5中所示表明各用各的速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，只是從機(jī)變頻器封鎖自身速度調(diào)節(jié)器的I（積分部分），I（積分部分）取自主機(jī)變頻器速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的I積分量值。由于皮帶機(jī)的啟動(dòng)加速時(shí)間較長，在179s的時(shí)間里盡量使雙機(jī)擁有相同的速度、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性，為此使用各自的速度調(diào)節(jié)器目的是讓從機(jī)具備有主機(jī)一樣的速度、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性，不至于出力落后于主機(jī)。PI運(yùn)算公式為

式中：U為速度調(diào)節(jié)器輸出；Kp為速度調(diào)節(jié)器比例增益；Ki為速度調(diào)節(jié)器積分系數(shù)；e（t）為速度給定值與速度實(shí)際值的偏差。

在皮帶機(jī)啟動(dòng)和加速階段由于e（t）值較大，所以Kp×e（t）部分的量值所占比重較大，而Ki×積分部分所占比重較小。主－從雙機(jī)在啟動(dòng)加速階段擁有相同的Kp×e（t）部分，因此雙機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩曲線很是相近。在皮帶機(jī)勻速運(yùn)行后由于e（t）值較小，所以Kp×e（t）部分的量值所占比重很小，這時(shí)只有靠積分部分消除系統(tǒng)的靜差，由于從機(jī)的積分取自主機(jī)變頻器，所以雙機(jī)的PI特性完全一致，最終使系統(tǒng)運(yùn)行得非常穩(wěn)定。

調(diào)試后1＃，2＃主－從雙機(jī)特性曲線如圖6所示。

圖6 主驅(qū)動(dòng)滾筒1＃，2＃電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩曲線圖Fig.6 Main driving roller 1＃，2＃ motor speed，torque curves

由XBTGT4330施耐德傳動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)控畫面上可以看出：1＃主機(jī)變頻器轉(zhuǎn)矩曲線、2＃從機(jī)變頻器轉(zhuǎn)矩曲線、1＃主機(jī)變頻器電流曲線和2＃從機(jī)變頻器電流曲線，4條曲線在皮帶機(jī)的整個(gè)啟動(dòng)加速階段兩兩基本重合，曲線的上下波動(dòng)是由于皮帶機(jī)柔性負(fù)載波動(dòng)所引起的，屬于正常現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過使用施耐德ATV1100中壓變頻器在長距離膠帶機(jī)上的成功應(yīng)用，可以看出ATV1100不僅可以在風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載上應(yīng)用，更可以在重載乃至恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載上使用。并且ATV1100的軟件集成有很強(qiáng)大的功能，可以滿足驅(qū)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)之間的各種協(xié)同工作要求，如力矩軟化及負(fù)荷分配等。

［1］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］仲明振，趙相賓.高壓變頻器應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］丁太木.變頻器在煤礦井下皮帶輸送機(jī)中的應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2007，26（9）：31－32.