高压变频器在钢缆机上的应用

摘 要：煤矿的运输设备主要包括提升机、皮带机和钢缆机，露天开采的铁路机车，大型煤矿的直接汽车运输，但是皮带机和钢缆机仍然是大型煤矿的主要运输设备。

关键词：四象限 高压变频器 钢缆机 主从控制 功率平衡

概述
　　煤矿的四大件设备，主要是提升运输设备、煤矿主通风设备、煤矿排水设备和煤矿压风设备，煤矿提升运输设备是煤矿的“印钞机”，煤矿生产过程中煤炭的运输通道，是煤矿生产的重要设备。在煤矿提升运输设备中，皮带机占有重要的地位，钢缆机作为皮带机的一种，一直在煤矿的生产中扮演重要的角色。
　　桑树坪煤矿一号井钢缆牵引胶带输送机（以下简称钢缆皮带机）承担着斜井原煤运输和人员上下井的任务。这部胶带输送机现有驱动系统采用的是晶闸管串级调速，电动机为JRQ158-6型高压绕线式电机（功率550kW，电压6kV），减速机为NGW172型行星齿轮减速机，无软启动装置。张紧方式为重锤张紧。
　　这部钢缆皮带机安装于1978年，并于1979年11月移交使用，至今已服务近30年。30年间，虽经过几次现场部件大修，但也只能勉强维持生产。2007年以来，该设备运转状况急剧变差，各项主要技术指标严重下降。存在的主要问题有：
　　1、电机存在缺陷，各项主要性能指标明显下降。
　　2、两台行星齿轮减速器运行状况十分不好，严重影响生产。
　　3、SECJ-06全数字逆变控制器经常出现故障，导致无法正常工作。
　　4、给主电机供电的高压接触器，整机已严重老化，经常出现故障，
　　5、高压开关柜为油断路器，有滲油现象，保护不齐全。

钢缆皮带机

一、改造方案
　　为确保钢缆皮带机的安全运转，保证桑树坪煤矿的安全生产正常进行，咸阳顺安煤矿设计院根据桑树坪煤矿要求，对该矿钢缆皮带机的电控系统改造进行了认真的分析论证，在满足《煤矿安全规程》和矿方实际要求的前提下，本着安全、高效、经济可行的原则，提出了高压变频调速改造方案：
　　更新用户现场的高低压配电系统，采用PLC电控系统，采用高压变频器拖动系统，更换电机和减速机。
　　该改造方案中，高低压配电系统、PLC电控系统、电机和减速机具有成熟厂商和设备;在高压变频器的选择上，因为在国内钢缆机的拖动中使用高压变频器的尚无可以参考的成功案例，且桑树坪煤矿的钢缆机在运行过程中有负力，特殊情况下要求反转，进一步提高了对变频器的要求，设计院和韩城矿务局做了大量工作，最终选定北京合康亿盛科技有限公司生产的两台HIVERT-YVF06/077高压变频器。该变频器是矢量控制、再生制动、四象限运行的变频器，变频器采用主从控制方式，使得变 频器在运行过程中具有相同的运行参数，同步启动，功率平衡由电控系统参与完成。
钢丝绳牵引胶带输送机是一种长距离、大运量、高效能的运输设备。在桑矿，钢缆胶带机除运煤外，还兼作上下人员用。

　　该矿钢缆胶带机的传动装置示意图如图1所示。

图1　钢缆胶带机的传动装置示意图

　　为了提高胶带输送机工作的灵活性与可靠性，该矿钢缆胶带机具有两种工作模式：

　　（1）正常工作模式（即双机拖动），不使用机械差速器，每个电机拖动一个驱动轮，两电机之间无刚性连接，而是由钢丝绳和胶带构成弹性联接，两电机的调速回路各自独立。

　　（2）备用工作模式（即单机拖动），当其中一套调速装置发生故障时，可变双机拖动为单机拖动，以维持生产的正常进行。

二、拖动电机同步启动和功率平衡控制方案

　　正常工作模式即双机拖动时，由于钢缆胶带机的两台拖动电机不同轴连接，为了全过程中实现胶带机两驱动电机之间的速度同步及功率平衡，则两电机的控制不应是各自独立，而是彼此相互关联的。因此，设计中采用主从控制方式，通过采集电机电流判断，进行PID调节以达到两驱动电机之间的速度同步及功率基本平衡。系统速度、电流闭环控制框图2如下。

图2 系统框图

　　四象限高压变频器

　　电机在运行过程中，转矩方向为纵轴，转速方向为横轴。转矩和转速方向都为正时，是正向牵引，为第一象限;转矩为正，转速为负，是反向制动，为第二象限;转矩和转速方向都为负，是反向牵引，为第三象限;转矩为负，转速为正，是正向制动，为第四象限。如图3所示。对于变频器而言，就是可以推动电机快速的加速和制动，并且可以快速反向加速和制动。既能量可以迅速在电机和电网之间双向流动，四象限变频器起到桥梁的作用。

图3 四象限运行图

主从控制

　　变频器在多机随动的情况下，需要有此功能，此功能的实现方式是，把高压变频器的控制器通过高速通讯网络组网，参数设置里，把需要随动的变频器设定为从，把需要电控系统来控制的变频器设置为主。主从控制网络示意图如图4所示。主从控制方式中，可以控制同步启停和功率平衡。

图4主从控制网络

　同步启停

　　同步启停是在变频器接收到外部控制系统发出的启动或者停车信号后，主从控制网内的高压变频器同步的启动或者停机。同步启停在无主从控制功能的高压变频器多机随动中是无法实现的。当控制系统把启动或者停机指令发送给变频器后，变频器中的主变频器立即执行改指令，并且把相应的指令通过高速通讯的方式发给从变频器，使得主从变频器同时启动或者停机。
　　功率平衡
　　变频器在多机随动的情况下，尤其是在钢缆机和皮带机这种负载条件下，负载重载启动，且不能直接工频启动，直接工频启动的结果会造成皮带的撕裂和钢缆的跳槽和掉绳，并对设备产生难以恢复的伤害。在多机拖动时，电机的功率平衡成为运行过程中控制的重点。
　　变频器自身通过主从控制可以实现功率平衡功能，但是用电控系统实现功率平衡也可以实现。变频器实现功率平衡的方式是，通过高速通讯，把从变频器的输出功率报告给主变频器，主变频器分析判断计算后，调整从变频器的运行频率，达到两台或者多台变频器输出功率基本相一致，误差控制在5%以内。主从控制功率平衡实现软件控制框图如图5所示。
图5主从控制功率平衡软件控制框图

　　其中：

　　Is为从变频器输出电流，即从电机电流;

　　Im为主变频器输出电流，即主安吉电流;

　　ns为从电机运行转速;

　　nm为主电机运行转速;

　　nes为主变频器给从变频器调整后的基准频率。
另一种方式是通过电控系统来控制功率平衡，变频器和控制系统的连接方式如图6所示，控制部分采用通讯、硬连接、变频器主从控制通讯相结合的方式，变频器的启停和保护等功能通过硬连接实现，变频器的速度给定通过通讯来实现，变频器同步启停通过变频器的主从控制实现，变频器的电流和转速过模拟量和通讯双重给定。

图6 变频器和控制系统连接示意图

　　高压变频器内部有电机电流检测元件，检测电机电流;变频器通过安装在电机轴头的光电编码器检测电机的转速，形成电流和转速的双闭环控制。变频器把检测到的电流和转速通过变送后给控制系统，控制系统通过运算电流和转速，通过和给定的转速做比较，相应的调整变频器的给定转速，达到调节变频器功率平衡的目的，控制系统功率平衡软件框图如图7所示。

图7功率平衡软件控制框图

　　其中：

　　I1为变频器1输出电流，即电机1电流;

　　I2为变频器2输出电流，即电机2电流;

　　n1为电机1的运行转速;

　　n2为电机2的运行转速;

　　ne为控制系统给变频器的基准转速;

　　ne1为控制系统经过功率平衡运算调整后给变频器1的给定转速;

　　ne2为控制系统经过功率平衡运算调整后给变频器2的给定转速。
三、改造后的效果

　　桑树坪煤矿在2009年春节期间停产改造，更换了高低压配电系统、更换了电控系统和拖动系统，因为机械部分的电机和减速机未能运输到现场，所以系统没有全部改造完成，在5月1日前，电机和减速机运输到现场，现场的改造全部完成，改造完成后，现场运行效果良好。在桑树坪煤矿的皮带频繁启停过程中，变频器运行稳定，同步启停效果良好，功率平衡在工程允许的5%范围内。

　　皮带机的启动过程加速时间为1分钟，在加过过程中，两台电机的电流基本保持平衡，其误差在5%以内。在长期稳定运行过程中，两台电机的电流误差保持在3%以内。

　　钢缆机在停机过程中，全部由变频器再生制动，抱闸不参与工作，减少了抱闸的磨损。

　　在单机拖动试验中，变频器由于采用有速度传感器的矢量控制方式，启动电流小，不超过额定电流1.2倍，力矩大，完全满足钢缆机单机运行、重载启动的要求。

合康HIVERT-YVF06/077高压变频器

结论

　　国产高压四象限变频器在钢缆机上应用，在国内尚属首次，自2009年春节调试完成至今，运行平稳，维护简单，因采用矢量控制，适合重载启动场合的应用，是今后钢缆机及皮带机拖动发展的趋势。