變頻器在帶式輸送機上的控制應用

李 芬

（太原重工股份有限公司 技術中心 礦山所，山西 太原 030024）

0 引言

帶式輸送機是利用傳動滾筒和輸送帶之間的摩擦力而運行的連續(xù)的運輸設備。大多數(shù)皮帶輸送機采用液力耦合啟動，較少使用變頻器驅動，采用液力耦合的方式無法實現(xiàn)軟啟、軟停，對機械產生劇烈沖擊，同時還存在皮帶維護等問題，不利于創(chuàng)建節(jié)能型社會；變頻器控制帶式輸送機可以節(jié)約社會能源、增加企業(yè)經(jīng)濟效益，具有重大意義。隨著高壓變頻技術的不斷進步和完善，其應用范圍越來越廣泛。

1 變頻技術

高壓變頻調速技術是20世紀90年代迅速發(fā)展起來的一種新型的電力傳動調速技術，它應用了先進的電力電子技術、計算機控制技術、現(xiàn)代通信技術等綜合性領域的學科技術，其技術和性能超過其他任何一種調速方式。變頻調速的特點是：啟動能耗低、調速范圍寬、動態(tài)響應速度快、調速精度高、保護功能完善、易于實現(xiàn)自動化、運行安全可靠、維修方便、安裝場地條件比較靈活和應用范圍廣泛。

目前，主流的高壓變頻器產品有以下3種類型：電流源型變頻器、三電平型變頻器和單元串聯(lián)多電平型變頻器。電流源型變頻器主要用于超大功率場合；三電平型變頻器主要用于非標準電壓的電動機；單元串聯(lián)多電平型變頻器可使用于任何電壓的普通電動機。

2 變頻器對帶式輸送機的控制

2.1 帶式輸送機的電氣設備組成

帶式輸送機的電氣設備主要包括高壓開關柜、高壓變頻柜、輔助變壓器、PLC控制柜、綜合保護裝置、操作臺和電機等，如圖1所示。將6 000VAC電源引入高壓開關柜，分配到機構動力電源和輔助變壓器；控制系統(tǒng)采用PLC方式，為帶式輸送機提供I/O模塊接口；高壓變頻器對電機獨立控制。

2.2 帶式輸送機的變頻控制

變頻器對電機實現(xiàn)一拖一控制，變頻器之間控制采用通訊方式，具有抗干擾能力強、通訊速率快等特點。帶式輸送機的變頻控制如圖2所示。

圖1 帶式輸送機的電氣設備組成

圖2 帶式輸送機的變頻控制

帶式輸送機的結構決定了電機最多為2∶2∶2（即頭部4、尾部2驅動方式），這就要求我們必須解決同軸驅動的力矩分配問題和不同軸驅動的負荷平衡問題。電機同軸時，控制上采用主從方式，利用CAN總線由主機向從機發(fā)送轉矩信息，以達到主從控制的目的。因為同軸為剛性連接所以電機間驅動速度相同，力矩通過主從可保證電機間出力也相同，可見同軸驅動的實現(xiàn)方式采用主從控制方便可靠。

帶式輸送機的難點就在于不同軸的負荷分配。負荷平衡的手段有4種：①變頻器配置宏模塊軟件實現(xiàn)多機調節(jié)功能；②通過PLC的PID智能接口實現(xiàn)調節(jié)功能；③變頻器主板設置多個正負反饋接口以滿足多路調節(jié)功能；④通過設置速度、力矩上下限來滿足變頻器的負荷平衡。4種方式各有特點，選擇何種方式，取決于帶式輸送機的結構、現(xiàn)場環(huán)境以及變頻器的軟件模式。

帶式輸送機系統(tǒng)控制復雜，采用多主多從控制，因此需要定制相應的通訊方案以滿足其要求：PLC控制柜與變頻器之間采用CAN總線進行通訊，其速率支持標準CAN協(xié)議速率，最大支持1MB/s，將整個系統(tǒng)的所有變頻器作為CAN通訊的節(jié)點，支持變頻器間的發(fā)送、接收等功能，由主控制柜向其余每個節(jié)點發(fā)送系統(tǒng)設置參數(shù)、各種控制命令和轉速信息等，各變頻器在主控制柜的控制請求下，回復變頻器當前工作狀態(tài)及轉速、功率和電流等參數(shù)。

通訊光纖采用硬件雙備份架構，兩條光纖分開布線，當其中任意一根光纖斷裂或者發(fā)生其他故障時，自動切換到另一根光纖，切換時間小于2ms。

變頻器與帶式輸送機的綜合保護裝置對接，可以實現(xiàn)打滑、跑偏、斷裂、堵塞和急停等保護。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，變頻器將發(fā)出報警信號。所有故障情況及故障位置均在人機界面上顯示出來，便于用戶根據(jù)故障情況采取相應措施。

2.3 帶式輸送機的工作過程

運用變頻器的軟啟動功能，將電機的軟啟動和皮帶機的軟啟動合二為一，通過電機的慢速啟動，帶動皮帶機緩慢啟動。由于帶式輸送機屬于大慣量重載啟動，因此在啟動過程中要采用S曲線加速，以保證啟動過程中皮帶的受力均勻。

帶式輸送機正常運行時，需要頭尾電機之間進行負荷分配；變頻器主機間通過下垂控制方式保證頭尾電機輸出負荷平衡，同時主機與對應從機間進行主從控制。這樣就可以保證整條皮帶平穩(wěn)運行，將皮帶張力穩(wěn)定在額定張力范圍。

停車過程中，以相同的速度及減速時間以S曲線進行減速，保證不會產生過大的速度差異，影響皮帶機停機。當電機停止運轉后，皮帶會因重力原因松動至自然狀態(tài)。

3 變頻控制優(yōu)勢

變頻調速作為近20年來興起的一門新技術，因其具有調速平穩(wěn)、瞬態(tài)穩(wěn)定性高、節(jié)能等特性，越來越受到人們的重視。采用變頻器對帶式輸送機控制，不僅有利于提高帶式輸送機系統(tǒng)的運行效率和運行穩(wěn)定性，還可給企業(yè)帶來巨大的社會及經(jīng)濟效益。與傳統(tǒng)液力耦合器控制相比，其優(yōu)勢如下：①真正實現(xiàn)了帶式輸送機系統(tǒng)的軟啟動；②實現(xiàn)了帶式輸送機多電機不同軸驅動的負荷平衡問題；③可以根據(jù)用戶中控室的給定速度調整系統(tǒng)輸出，方便皮帶機操作；④降低設備的維護量；⑤方便輸送帶檢修；⑥有效減少人力資源；⑦節(jié)約能源。因此，隨著社會的發(fā)展，在帶式輸送機領域，變頻器將最終取代液力耦合器的主導地位。

［1］中國電器工業(yè)協(xié)會變頻器分會.高壓變頻器應用手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.