變頻一體驅動裝置在洗煤廠帶式輸送機控制中的應用

王士杰

（中煤建筑安裝工程集團有限公司第六十九工程處，河北 邯鄲 056000）

引言

帶式輸送機是綜采工作面、洗煤廠廣泛應用的運輸設備，該設備具有運輸距離廠、運輸速度大、運輸量大的優勢。多年以來，針對帶式輸送機的研究主要集中在其自動化控制、節能技術以及軟啟動等方面。根據實際工況，對于帶式輸送機的節能的主要技術途徑主要通過帶式輸送機的實時運量對其運行速度進行實時控制，解決帶式輸送機恒速運行時運行速度與運量不匹配所導致功率消耗的問題[1]。變頻一體驅動核裝置為變頻器與電機整合的設備，該裝置具有體積小、可靠性高、維護方便以及抗干擾性強的優勢。本文將重點研究變頻一體驅動裝置在洗煤廠帶式輸送機中的應用。

1 變頻一體驅動裝置概述

對于洗煤廠帶式輸送機而言，其與煤礦綜采工作面的帶式輸送機相類似，在實際運輸中也面臨著啟動時容易對設備造成沖擊、功率消耗較大等類似的問題。因此，實現洗煤廠帶式輸送機的軟啟動功能和節能變頻調速運行也是非常有必要的。近年來，變頻驅動技術已經被廣泛應用于煤礦綜采工作面大型設備的控制中。變頻一體驅動裝置是在變頻器的基礎上整合了電機，即實現變頻器與電機的一體化設計[2]。

1.1 變頻一體驅動裝置結構分析

從功能層面分析，與傳統變頻器相比，變頻一體驅動裝置不僅具備對帶式輸送機進行變頻調速的功能，而且還解決了分體變頻器存在的電磁干擾問題。從結構層面分析，變頻一體驅動裝置電氣系統中主要分為變頻電氣分系統和電機電氣分系統，其對應的電氣原理如圖1 所示。

圖1 變頻一體驅動裝置電氣原理圖

如圖1 所示，變頻一體驅動裝置的變頻部分又可細分為主回路、驅動回路、主控制回路、顯示系統等。同時，變頻一體裝置變頻部分所采用的結構形式為交流—直流—交流的拓撲結構。

1.2 變頻一體驅動裝置優勢分析

變頻一體驅動裝置與傳統變頻器+電機的驅動方式相比，具有如下優勢：

1）基于變頻一體驅動裝置能夠降低洗煤廠針對帶式輸送機供電的復雜程度；同時，基于變頻一體裝置是實現設備遠距離供電的基礎，從而擴大帶式輸送機在洗煤廠的應用范圍。

2）傳統變頻器+電機驅動方式中，變頻器與電機的匹配程度存在一定的差異性；而變頻一體驅動裝置電機在設計初期綜合考慮了PWM 波形對電機的干擾，同時采用VPI 技術可有效避免對系統絕緣層的腐蝕；此外，變頻一體裝置設計時將電磁兼容和電磁干擾的一體化設計思路應用其中，解決了傳統變頻器+電機驅動方式對外界所造成的電磁干擾的影響。

3）目前，對于長距離、大運量以及高運速的帶式輸送機而言，常采用不止一個電機對設備進行驅動，若控制不合理勢必會產生電機功率不平衡的問題。但是，變頻一體驅動裝載由于其自身采用轉矩控制模式的原因，特別適用于大負載波動的帶式輸送機的多電機控制。

2 變頻一體驅動裝置的設計分析

本洗煤廠采用德國Breuer 公司所研發和生產的變頻一體驅動對帶式輸送機進行控制。該變頻一體驅動裝置的供電電壓為1 140 V，該裝置所配置電機的功率為1 000 kW。本節將重點對變頻一體驅動裝置在洗煤廠應用中設計到的內容進行設計，包括控制系統的設計、配電系統的設計以及其他一些關鍵問題的解決方案。

2.1 變頻一體驅動裝置控制系統的設計

針對變頻一體驅動裝置控制系統涉及到關鍵內容包括對功率平衡、硬件、軟件等進行設計。對于變頻一體驅動裝置控制系統的功率平衡控制而言，主要實現途徑為通過主電機對各個電機進行控制。變頻一體化驅動裝置采用Rockwell 集成化網絡為基礎完成信息層、設備層和控制層的設計；變頻一體驅動裝置采用Logix550 編程軟件對控制程序進行設計；此外，將變頻一體驅動裝置對帶式輸送機的啟動、停止以及變頻調速功能與帶式輸送機的常規保護功能相結合。

2.2 變頻一體驅動裝置配電系統的設計

配電系統作為變頻一體驅動裝置的動力源泉，在設計時需重點綜合考慮下列因素：

1）根據《電力設計的規范》的相關標準要求，為變頻一體驅動裝置配套雙電源供電的模式；

2）根據《安全規程》的相關標準要求，要求配電系統涉及到的配電設備滿足洗煤廠環境的要求；

3）鑒于本文所選Breuer 公司的變頻一體驅動裝置中變頻器分系統為12 脈沖的整流，為變頻一體驅動配置雙回相位差30°的電源[3]。

綜合考慮上述因素，針對變頻一體驅動裝置設計如圖2 所示的配電系統。

圖2 變頻一體驅動裝置配電系統結構圖

3 變頻一體驅動裝置應用的技術難點

鑒于變頻一體驅動裝置與傳統變頻器+電機驅動方式的區別，變頻一體驅動裝置應用時需重點考慮變壓器耐壓、變頻器水冷系統以及通訊接口等方面的問題。

3.1 變壓器耐壓問題的解決

鑒于變頻一體驅動裝置理論電壓為1 140 V，而在實際供電中電壓值可能超過1 200 V 超過其允許電壓值。因此，對變頻一體驅動裝置在其本體結構上增設了IGBT 管，增加變壓器的耐壓等級。

3.2 變頻器水冷問題的解決

鑒于Breuer 公司的變頻一體驅動裝置其所配置的冷卻系統對水質的要求較高，而我國的水質無法適用于其冷卻系統。為此針對性地設計了適合我國水質的循環水冷卻系統，具體循環水冷卻系統的原理如圖3 所示。

圖3 變頻一體驅動裝置循環水冷卻系統原理圖

3.3 通訊接口問題的解決

鑒于Breuer 公司的變頻一體驅動裝置所采用通訊接口的類型為TTY，該種通訊接口無法與PLC 控制器進行數據通信，從而無法實現帶式輸送機控制系統功能的實現。為解決上述問題，將變頻一體驅動裝置的所有參數及數據通過ControlLogix 傳送至洗煤廠的調度網絡，對數據進行綜合分析后提出控制策略[4]。

4 結語

帶式輸送機作為洗煤廠的主要運輸設備，其運輸效率和可靠性在很大程度上決定于控制系統。帶式輸送機傳統變頻調速控制主要采用變頻器+電機的驅動方式控制，本文將變頻一體驅動裝置應用于洗煤廠帶式輸送機的控制中。經實踐表明，變頻一體驅動裝置具有故障率低、便于布置和控制、勞動強度低等優勢。同時，變頻一體驅動裝置鑒于其本身的優勢，在實際運行中保證了多電機驅動下的功率平衡。