變頻器在鐵礦皮帶機上的應用

李巖，王林

(1 沈陽理工大學，遼寧沈陽110168;2 鞍山市權晟電子電力有限公司，遼寧鞍山114011)

0 引言

某鐵礦廠為增加產量，需提高破碎車間的運輸能力，4#皮帶機被選為首批改造對象，原4#皮帶機為單驅，即為一臺電機拖動一臺減速器，減速箱與主驅動輪采用剛性連接，主驅動輪帶動皮帶運行。改造內容為:(1)將原有一臺250kW 電機單驅，改變?yōu)閮膳_200kW 電機驅動;(2)雙電機分別驅動兩臺減速器，減小速比，由原來的50∶1 變?yōu)?0∶1，提高了最高速度，變?yōu)樵瓉淼?.25 倍速度;(3)兩臺減速器同時驅動一個主驅動輪，皮帶寬度、厚度以及長度沒有變化;系統設計帶載能力為2 100t。

4#皮帶機改造后的電氣系統采用兩臺三相異步變頻電機和兩臺VACON NXP 變頻器，兩臺變頻器組成主從控制系統，完成負載分配和同步控制。變頻器采用高性能的轉子磁場定向矢量控制算法控制異步電動機。

1 轉子磁場定向矢量控制模型分析

在三相異步電動機中，存在3 種磁場:定子磁場、氣隙合成磁場、轉子磁場。在轉子磁場定向控制中以轉子磁場定向作為坐標系統的實軸，定子電流在定向磁場方向的分量稱為勵磁電流分量，與定向磁場垂直方向的分量稱為轉矩電流分量。

轉子磁場定向控制就是將公共坐標系統建立在轉子定向磁場上，即P 軸與轉子磁鏈ΨvRPQ重合，Q 軸超前轉子磁鏈矢量90°電角度。圖1 為轉子磁場定向坐標系統圖。圖中，1vR為電機轉子靜止兩相坐標系統下的單位轉子矢量，jvR為超前1vR矢量軸90°電角度的單位矢量，即為虛軸單位矢量。1vRP為電機轉子定向磁場P 軸的單位轉子矢量。

圖1 轉子磁場定向坐標系統

為了簡化數學模型，假設三相變頻異步電機磁場定向控制系統中定子三相繞組星型連接，則零軸各種矢量分量為0，不用考慮零軸分量方程。另外三相變頻異步電機轉子繞組本身是短路的，轉子電壓等于0。推導得到三相變頻異步電機以轉子磁場定向的PQ0 坐標系下的方程［1］如下

電機定子電壓方程

式中，RS—定子一相繞組的等效電阻;ω1=ωPS—轉子磁鏈相對于定子靜止坐標系統的角速度，即轉子定向磁場的電角速度;p—微分算子。

電機轉子電壓方程

式中，RR—轉子一相繞組的等效電阻;ωS=ωPR轉子磁鏈相對于轉子靜止坐標系統的角速度，即轉差角速度。

式中，Ls—兩相坐標系中定子等效兩相繞組的自感;Lm—兩相坐標系中定轉子等效兩相繞組之間的互感最大值。

式中，Lr—兩相坐標系中轉子等效兩相繞組的自感。

電磁轉矩表達式

式中，Pp—電機的極對數。

為獲得轉子磁場定向坐標系統中感應電機的數學模型，將定子電壓方程式(1)中的定子磁鏈ΨSP、ΨSQ用定子電流iSP、iSQ轉子定向磁鏈ΨRP來表示。由式(3)與式(4)聯立消除轉子電流iRP、iRQ得到定子磁鏈表達式，然后代入式(1)得到轉子磁場定向坐標系統下的定子電壓方程阻RR有關。

電機轉子機械運動方程可表示為

式中，J—電機轉動慣量;D—電機轉軸的阻尼系數;TL—負載轉矩;ωr—轉子電角速度。

3 變頻主從控制系統的實現

破碎車間4#皮帶機電控系統改造，采用的三相變頻異步電機參數:電機型號:YVF2-315L2-4-200kW;電機極數:4 極;調頻范圍:5 ～50Hz 恒轉矩調速;50 ～75Hz 恒功率調速;額定電流:359A;額定電壓:380V。

變頻器采用VACON 的矢量控制型變頻器:NXC0520 5G2L0SSFA1A200C2D2 變頻器，VACON變頻器具有IEC 61131-3 編程平臺軟件，在應用層軟件對用戶開放，編程語言可以用功能塊圖(FBD)，結構文本(ST)和順序功能圖(SFC)三種語言。在變頻器應用層內置同步控制算法程序比外置控制器如PLC 等具有運算速度快、抗干擾性強的特點，主從控制算法程序就是內置到變頻器中。兩臺變頻器采用主從控制，通過D2 卡采用光纖通信。上位機PLC 通過RS-485 通信C2 卡完成遠程控制。變頻器控制系統框圖如圖2所示。

圖2 變頻器控制系統

4#皮帶機是雙機驅動，兩臺三相異步變頻電機分別經過各自的減速機后驅動同一個主驅動輪。帶負載調試系統時，先進行單電機帶載調試，調試完成后再進行雙機主從驅動帶載調試。

單機帶載調試前先根據電機名牌參數和控制要求，對變頻器參數進行如下設置見表1。

表1 變頻器參數

初始階段單電機帶載調試時，當負載加到710t 時，啟動變頻器就出現過電流報警。經分析得出由于電機銘牌中沒有給出電機的額定速度，變頻器采用的是4 極電機1 440rpm 為額定速度設定，變頻器默認的電機勵磁時間為200ms，此三相異步變頻電機實際額定轉速為1 470rpm，電機勵磁時間接近500ms，在啟動時磁場沒有及時建立起來，導致啟動時過流報警。修改變頻器參數

P2.4.8 DC-Brake Current 300 A

P2.4.11 Start DC-Brake Tm 1.00 s增加1s 的直流啟動時間，先建立起磁場，變頻器再啟動，就不再發(fā)生啟動過流報警。

單電機起動，皮帶機帶負載740t 時負載曲線如圖3 所示。啟動時最大極限電流為402A，加速期間電流為183A，電流平穩(wěn)，電機轉矩為電機額定轉矩的50%。

圖3 單電機740t 負載啟動曲線

單電機起動，皮帶機帶負載1 050t 時負載曲線如圖4 所示。啟動時最大極限電流為407A，加速期間電流為242A，電流平穩(wěn)，電機轉矩為電機額定轉矩的71%。

圖4 單機1050t 負載啟動曲線

兩臺電機分別單電機帶載調試通過后，然后進行雙機主從控制帶載調試。在單機設置的參數基礎上，主從變頻器還需要設置主從控制參數，見表2。

表2 主從控制變頻器參數

變頻器主機和從機都采用速度控制方式，主機的參考速度由上位機PLC 通過RS485 總線控制給出。從機的參考速度采用主機的參考速度，通過D2 卡的光纖通信，由主機變頻器給出。為了平衡兩臺電機的負載，設置參數P2.6.15 Load-Drooping=5.00%。

雙電機主從驅動同步起動，皮帶機帶負載1 800t時負載曲線如圖5。起動時從機最大極限電流為409A，加速期間電流為196A，電流平穩(wěn)，電機轉矩為電機額定轉矩的54%。

圖5 雙機驅動1800t 負載啟動曲線

雙電機主從驅動啟動，皮帶機帶負載2 110t時負載曲線如圖6。啟動時從機最大極限電流為414A，加速期間電流為217A，電流平穩(wěn)，電機轉矩為電機額定轉矩的60%。

圖6 雙機驅動2110t 負載啟動曲線

經過調試和修改變頻器參數，實現了系統設計的單電機和雙電機帶載工作。

4 結語

本文中設計的雙電機主從皮帶機控制系統，完成了雙機拖動2 100t 物料的設計要求，從啟動負載曲線上可以分析得出如下結論:單機驅動和雙機同步驅動都達到了皮帶機負載設計能力，并且電機還具有一定的帶負載余量，達到了系統設計的要求。現場設備運行幾個月，電控系統運行穩(wěn)定、可靠。

低壓變頻器技術已經是成熟的技術，采用低壓交流變頻器控制系統具有性能可靠、故障率低、價格低廉、操作簡單、方便的特點。此雙機變頻調速系統方案可以應用到各類皮帶驅動設備中。

［1］ 謝寶昌，任永德. 電機的DSP 控制技術及其應用.北京:北京航空航天大學出版社，163-164.

［2］ 馬志云.電機瞬態(tài)分析［M］.北京:中國電力出版社，1998.5.

［3］ 王曉明，王玲.電動機的DSP 控制.北京:北京航空航天大學出版社，2004.1.