0 引言
某水泥廠石灰石輸送皮帶機(jī)一期兩條5000 t/d熟料生產(chǎn)線，其礦山分廠石灰石輸送設(shè)置了3條石灰石運(yùn)輸長(zhǎng)皮帶機(jī)。全線長(zhǎng)5.046 km，總提升高度為-446 m，由3套膠帶機(jī)組成，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1，系統(tǒng)全貌見圖1。本文對(duì)高壓變頻器在長(zhǎng)距離大落差礦山皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，主要以表1中的1號(hào)和2號(hào)膠帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方式以及高壓變頻器的選擇為討論對(duì)象，僅供參考。
1 皮帶機(jī)啟動(dòng)、停止及控制方式的選擇
皮帶機(jī)運(yùn)輸能力大，工作阻力小，耗電量低，運(yùn)距長(zhǎng)，且維護(hù)簡(jiǎn)單方便，在物料輸送中得到廣泛應(yīng)用。皮帶機(jī)有水平運(yùn)輸、向上運(yùn)輸、向下運(yùn)輸三大類，向下運(yùn)輸存在“滾料”和“飛車”現(xiàn)象，安全隱患大。由于膠帶輸送機(jī)具有彈性，在啟動(dòng)加速、停車減速及張力變化過(guò)程中呈現(xiàn)出橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)以及動(dòng)態(tài)張力波的傳播和疊加，造成輸送系統(tǒng)的不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)膠帶斷裂、機(jī)械損壞、局部諧振跳帶、疊帶、撒料等。分析認(rèn)為：驅(qū)動(dòng)設(shè)備是膠帶輸送機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，直接影響到輸送機(jī)的整機(jī)性能。早先水泥廠礦山石灰石和碼頭熟料輸送膠帶機(jī)設(shè)備選型一般使用調(diào)速型液力偶合器或CST等機(jī)械和液壓方式的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，效率低、維護(hù)復(fù)雜，且非線性、啟動(dòng)電流大、調(diào)速性能差。大的啟動(dòng)加速度，容易導(dǎo)致膠帶持續(xù)波動(dòng)，張力特性較差，無(wú)法對(duì)長(zhǎng)距離輸送的皮帶實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化和為安全啟動(dòng)提供有效的保證。
變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可應(yīng)用于輸送機(jī)類恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制。在輕載及重載工況下,均能有效控制膠帶輸送機(jī)彈性負(fù)載的軟啟動(dòng)/軟停車的動(dòng)態(tài)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)之間的功率平衡，并提供可調(diào)驗(yàn)帶速度。由此降低直接啟動(dòng)/快速停車過(guò)程對(duì)機(jī)械和電氣系統(tǒng)的沖擊，避免撒料與疊帶，有效抑制膠帶輸送機(jī)動(dòng)態(tài)張力波造成的危害，延長(zhǎng)膠帶機(jī)使用壽命，既節(jié)省設(shè)備投資，又保證安全運(yùn)行。
特別是下運(yùn)式皮帶輸送機(jī)，屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)變頻器在啟動(dòng)和加速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作用于皮帶驅(qū)動(dòng)設(shè)備上，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)皮帶帶上物料后，物料重量沿皮帶傳輸方向上的分力作用于皮帶驅(qū)動(dòng)裝置上，并使驅(qū)動(dòng)力矩逐漸增大，當(dāng)此力矩大于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩時(shí)，此時(shí)皮帶驅(qū)動(dòng)裝置拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，因此需要通過(guò)制動(dòng)電阻消耗再生電能，或者通過(guò)反饋裝置將電能反送給電網(wǎng)，以防止母線電壓過(guò)沖和變頻器過(guò)壓。由于技術(shù)的限制，下運(yùn)式皮帶輸送機(jī)只能配置制動(dòng)裝置，其功能的完善、性能的好壞，直接影響著下運(yùn)帶式輸送機(jī)可靠與運(yùn)行安全。對(duì)于大傾角下運(yùn)帶式輸送機(jī)的制動(dòng)，為保證皮帶機(jī)正常開機(jī)、停車和緊急停車，避免發(fā)生事故，一般不直接采用機(jī)械抱閘制動(dòng)，而是采用可控制動(dòng)裝置。目前已應(yīng)用的可控制動(dòng)裝置主要有盤式制動(dòng)器、液力制動(dòng)器、液壓制動(dòng)器和粘液可控制動(dòng)器。在四象限運(yùn)行變頻器應(yīng)用之前，即使采用變頻器驅(qū)動(dòng)，下運(yùn)皮帶機(jī)電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，通常系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置制動(dòng)電阻來(lái)消耗其電能，讓電能白白地浪費(fèi)在制動(dòng)電阻上。這些制動(dòng)方式需要配備泵、電阻等耗能設(shè)備，靠耗能來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。四象限運(yùn)行的變頻器，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)從電動(dòng)到發(fā)電兩種狀態(tài)的自由切換，并將下運(yùn)式皮帶機(jī)勢(shì)能通過(guò)電機(jī)和變頻器轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。
根據(jù)皮帶的基本參數(shù)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)皮帶長(zhǎng)、落差大、電機(jī)功率大，啟動(dòng)、停止、運(yùn)行及緊急故障停機(jī)控制復(fù)雜，難度較大，從驅(qū)動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)控制性能、可靠性、投資、運(yùn)行成本、電力輸電和配送及能量消耗等方面分析比較，具體見表2。
2 1號(hào)、2號(hào)膠帶機(jī)對(duì)變頻裝置性能的要求
(1)膠帶機(jī)屬于下運(yùn)膠帶機(jī)，帶載運(yùn)行時(shí)電機(jī)始終處于發(fā)電狀態(tài)，所以變頻器應(yīng)始終處于回饋狀態(tài)。
(2)由于下運(yùn)膠帶機(jī)的特殊性，所以要求變頻器始終處于帶電工作狀態(tài)，任何情況下都不允許其斷電(變頻器故障損壞已無(wú)輸出電壓、電流時(shí)除外)。
(3)1號(hào)、2號(hào)膠帶機(jī)選用6kV高壓變頻器，所以變頻器應(yīng)具備高壓供配電規(guī)范要求。
(4)變頻器具備主從控制多驅(qū)功能，通過(guò)光纖、編碼器等反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主從同步驅(qū)動(dòng)。
(5)高壓電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)：
額定功率： 1×1 250 kW(1號(hào)膠帶機(jī)、2號(hào)膠帶機(jī));
額定電壓： 6 kV;
額定電流： 140.7 A;
頻率： 50 Hz 。
(6)變頻器技術(shù)參數(shù)選擇：
額定輸出電壓：0～6 kV;
輸出頻率：0～50 Hz;
額定輸出功率：1 250 kW，恒轉(zhuǎn)矩皮帶機(jī)專用;
額定輸出電流：160 A ;
持續(xù)過(guò)載能力：110%;
短時(shí)過(guò)載能力：在變頻器額定電流160 A的基礎(chǔ)上具備150%變頻器額定輸出電流1 min、每隔10 min可重復(fù)一次的過(guò)載能力;
輸入整流橋：6.5 kV SCR可控硅;
逆變模塊：6.5 kV SGCT;
調(diào)速范圍：0～75 Hz(根據(jù)電機(jī)情況可設(shè)定);
調(diào)速精確度：<0.01%(6 Hz以上);
整流器件：6.5 kV SCR可控硅;
功率單元個(gè)數(shù)：18個(gè)整流SCR可控硅+18個(gè)逆變SGCT;
操作象限：標(biāo)準(zhǔn)四象限;
連續(xù)運(yùn)行可承受的欠壓百分比：在±10%額定電壓波動(dòng)范圍內(nèi)能滿載輸出，在70%～90%額定電壓范圍內(nèi)降額繼續(xù)運(yùn)行;
不平衡度最大值：30%;
功率因數(shù)：0.96(額定負(fù)荷下);
額定負(fù)載下的總效率(包括變壓器在內(nèi))：≥96.5%(變頻器本體效率≥98%);
瞬間失電延時(shí)：在廠用電切換或短時(shí)失電主電源恢復(fù)后，變頻器在0.1～1 200 s(可設(shè)定)內(nèi)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速(可設(shè)定)，而不需要手動(dòng)復(fù)位或調(diào)整;
冷卻方式：強(qiáng)制風(fēng)冷;
防護(hù)等級(jí)：IP21。
(7)移相整流變壓器技術(shù)參數(shù)要求：
型號(hào)：ZTS-1800 kVA/10/3×2.1 kV ;
額定容量：1 800 kVA;
原邊電壓：10 kV;
電壓分接：±5%;
副邊電壓：3×2.1 kV;
聯(lián)接組別：D，d0，d-20，d+20;
阻抗電壓：7%。
3 調(diào)試和試運(yùn)行
3.1 調(diào)試和試運(yùn)行的技術(shù)要求與注意事項(xiàng)
通過(guò)PLC的輸出模塊對(duì)變頻器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，變頻器在零轉(zhuǎn)速負(fù)扭矩達(dá)到最大后對(duì)PLC輸出此狀態(tài)信號(hào)，PLC發(fā)出開閘指令。盤閘打開后，對(duì)變頻器發(fā)出已開閘信號(hào)，通過(guò)變頻器輸出使膠帶機(jī)速度應(yīng)可控從0～3.8 m/s (從0～50 Hz)開始平穩(wěn)啟動(dòng);通過(guò)變頻器使膠帶機(jī)的啟動(dòng)加速度控制在a=0.025～0.1 m/s2之間，啟動(dòng)時(shí)間大約在40～160 s(從0 ～50 Hz)。
正常停車時(shí)，通過(guò)PLC的輸出模塊對(duì)變頻器發(fā)出正常停車信號(hào)，通過(guò)變頻器使膠帶機(jī)的減速度控制在a=0.025～0.05 m/s2之間，停車時(shí)間為76～160 s(從50～0 Hz);通過(guò)變頻器輸出使膠帶機(jī)轉(zhuǎn)速
可控從3.8～0 m/s(50～0 Hz)平穩(wěn)停車。滿載時(shí)當(dāng)帶速降到0.4 m/s(5 Hz)時(shí)變頻器對(duì)PLC輸出此
狀態(tài)信號(hào)，PLC發(fā)出盤閘關(guān)閉指令，盤閘制動(dòng)時(shí)間S(5～10 s)具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)盤閘制動(dòng)時(shí)間確定;調(diào)整變頻器停車時(shí)間=S，空載時(shí)當(dāng)帶速達(dá)到0 m/s(0 Hz)時(shí)變頻器以對(duì)PLC輸出此狀態(tài)信號(hào)，PLC發(fā)出盤閘關(guān)閉指令。
驗(yàn)帶速度：0.4 m/s(5 HZ);
急速停車時(shí)，通過(guò)PLC的輸出模塊對(duì)變頻器發(fā)出急速停車信號(hào)。通過(guò)變頻器輸出使膠帶機(jī)減速度
控制在a=0.1～0.15 m/s2左右，制動(dòng)時(shí)間為27～40 s(從50～0 Hz)左右，當(dāng)帶速降到0.8 m/s(10 Hz)時(shí)變頻器對(duì)PLC輸出此狀態(tài)信號(hào)，PLC發(fā)出盤閘關(guān)閉指令。盤閘制動(dòng)時(shí)間S(5～10 s)具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)盤閘制動(dòng)時(shí)間確定，調(diào)整變頻器停車時(shí)間=S(從10～0 Hz)。
當(dāng)跑偏開關(guān)動(dòng)作時(shí)變頻器要正常停車;當(dāng)拉繩、打滑、防撕裂動(dòng)作時(shí)，變頻器要急速停車。
變頻器故障時(shí)立即對(duì)PLC輸出此狀態(tài)信號(hào)，PLC立刻發(fā)出盤閘關(guān)閉指令。值得注意的是雙驅(qū)動(dòng)裝置，變頻器應(yīng)考慮到兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速同步、轉(zhuǎn)矩平衡及兩臺(tái)變頻器之間的連鎖和互鎖等相關(guān)問題。
3.2 變頻器系統(tǒng)應(yīng)配置的具體信號(hào)
(1)PLC系統(tǒng)配置如下模塊，與變頻器進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口，需要變頻器進(jìn)行相應(yīng)配置：DI模塊，變頻器輸出開關(guān)量點(diǎn)通過(guò)繼電器輸入到PLC;DO模塊，PLC通過(guò)繼電器輸出開關(guān)量點(diǎn)到變頻器;AI模塊，變頻器可輸出4路4～20 mA信號(hào)到PLC;AO模塊，變頻器可接收4路PLC發(fā)出的4～20 mA信號(hào)。
(2)速度設(shè)置分為三檔，以滿足不同工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)：驗(yàn)帶速度，0.4 m/s，即5 Hz;中間速度，2.4 m/s，即30 Hz;滿速運(yùn)行，3.8 m/s，即50 Hz。
(3)時(shí)間設(shè)置分為三種：正常啟動(dòng)時(shí)加速時(shí)間為40～106 s;正常停止時(shí)減速時(shí)間為70～160 s;急速停車時(shí)減速時(shí)間為27～40 s。
(4)變頻器輸出開關(guān)量信號(hào)點(diǎn)：a.備妥;b.運(yùn)行;c.故障;d.達(dá)速; e.零轉(zhuǎn)速負(fù)轉(zhuǎn)矩達(dá)最大信號(hào);f.滿載停車時(shí)帶速降到0.4 m/s(5 Hz)信號(hào);g.急速停車時(shí)帶速降到0.8 m/s(10 Hz)信號(hào); h. 空載停車時(shí)帶速降到0 m/s(0 Hz)信號(hào) 。
(5)變頻器輸入的開關(guān)量信號(hào)點(diǎn)： a.啟動(dòng);b.停止;c.故障復(fù)位;d.急速停車;e.閘已打開;f.驗(yàn)帶運(yùn)行; g.中速運(yùn)行;h.滿速運(yùn)行;i.加速時(shí)間1 ;j.加速時(shí)間2; k.加速時(shí)間3 ;l.減速時(shí)間1;m.減速時(shí)間2;n.減速時(shí)間3。其中i、j、k、l、m、n項(xiàng)通過(guò)變頻器參數(shù)自行設(shè)定。
3.3 試運(yùn)行分析
1號(hào)長(zhǎng)皮帶設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)為1 250 kW電機(jī)，高差111 m，由于皮帶機(jī)較短，皮帶下行角度大，設(shè)計(jì)時(shí)未考慮帶編碼器，通過(guò)變頻器參數(shù)設(shè)置，采用開環(huán)標(biāo)量控制。調(diào)試和試生產(chǎn)期間，變頻器對(duì)長(zhǎng)皮帶啟動(dòng)控制不穩(wěn)，容易造成皮帶蠕動(dòng)、疊帶等現(xiàn)象。帶載啟動(dòng)時(shí)，變頻器內(nèi)部的逆變功率器件損壞多次，每次損壞6塊SGCT功率器件。
2號(hào)長(zhǎng)皮帶布置為U字形，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝編碼器，調(diào)試帶載啟動(dòng)時(shí)皮帶有稍微蠕動(dòng)，帶載停機(jī)時(shí)偶然有疊帶現(xiàn)象。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整控制程序和變頻器參數(shù)，對(duì)凹弧段加密支架，帶載啟動(dòng)、帶載停機(jī)比較平穩(wěn)，變頻器一直未發(fā)生故障。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，認(rèn)為其最主要原因是電機(jī)未安裝編碼器，變頻器在低速時(shí)默認(rèn)電動(dòng)狀態(tài);而實(shí)際上帶料啟動(dòng)時(shí)，只要盤閘一松開，皮帶機(jī)就自動(dòng)下行，實(shí)際此時(shí)變頻器應(yīng)該拖住皮帶，而不應(yīng)該是電動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)未安裝編碼器時(shí)，皮帶上的料一定先清空然后再啟動(dòng)變頻器。采用閉環(huán)矢量控制比采用開環(huán)標(biāo)量控制能更好地滿足低頻率長(zhǎng)皮帶啟動(dòng)要求。通過(guò)對(duì)電機(jī)安裝編碼器后，采用閉環(huán)矢量控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，變頻器自動(dòng)區(qū)分電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)，帶載啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，未出現(xiàn)皮帶蠕動(dòng)或疊帶等現(xiàn)象。自此變頻器再也沒有發(fā)生功率器件損壞記錄。
變頻器母線過(guò)電壓，兩條皮帶變頻器運(yùn)行中出現(xiàn)變頻器整流母線過(guò)電壓報(bào)警，連續(xù)多次過(guò)壓后造成變頻器停止運(yùn)行，皮帶機(jī)跳停。針對(duì)該問題，調(diào)試專家通過(guò)示波器檢測(cè)認(rèn)為，整流移相變壓器二次側(cè)移相角有偏差，通過(guò)調(diào)整低壓繞阻接線，保證低壓各繞阻20°移相角。通過(guò)檢測(cè)整流變一、二次交流電壓波形，滿足變頻器整流變移相角波形要求。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次試機(jī)，到目前為止未出現(xiàn)整流器過(guò)電壓故障。
4 經(jīng)濟(jì)效益分析
該水泥廠礦山石灰石1號(hào)、2號(hào)輸送皮帶機(jī)使用了PowerFlex7000四象限運(yùn)行的變頻器，在皮帶機(jī)運(yùn)行時(shí)使得變頻器長(zhǎng)時(shí)間處于能量回饋狀態(tài)，將石灰石的勢(shì)能通過(guò)電機(jī)和變頻器轉(zhuǎn)換的電能直接回饋到母線電網(wǎng)上，使得電流從電機(jī)側(cè)經(jīng)變頻器送至電網(wǎng)。只有在皮帶機(jī)運(yùn)行初期階段(即石灰石的勢(shì)能未能驅(qū)動(dòng)皮帶)時(shí)，變頻器才從電網(wǎng)上吸取電能;在皮帶機(jī)正常運(yùn)行和停止過(guò)程中，電機(jī)都處于再生發(fā)電狀態(tài)(第四象限)。
使用PowerFlex7000四象限運(yùn)行的高壓變頻器的1號(hào)、2號(hào)膠帶機(jī)，電機(jī)可以自由從電動(dòng)到發(fā)電兩種狀態(tài)的自由切換，并將石灰石的勢(shì)能通過(guò)電機(jī)和變頻器來(lái)轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。1號(hào)、2號(hào)膠帶機(jī)自2010年12月投入使用，截至2013年8月底，礦山1號(hào)皮帶累計(jì)總回饋電網(wǎng)電量500 390.0 kWh，礦山2號(hào)皮帶累計(jì)總回饋電網(wǎng)電量為910,557.4 kWh。
0 引言
某水泥廠石灰石輸送皮帶機(jī)一期兩條5000 t/d熟料生產(chǎn)線，其礦山分廠石灰石輸送設(shè)置了3條石灰石運(yùn)輸長(zhǎng)皮帶機(jī)。全線長(zhǎng)5.046 km，總提升高度為-446 m，由3套膠帶機(jī)組成，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1，系統(tǒng)全貌見圖1。本文對(duì)高壓變頻器在長(zhǎng)距離大落差礦山皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，主要以表1中的1號(hào)和2號(hào)膠帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方式以及高壓變頻器的選擇為討論對(duì)象，僅供參考。
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1 皮帶機(jī)啟動(dòng)、停止及控制方式的選擇
皮帶機(jī)運(yùn)輸能力大，工作阻力小，耗電量低，運(yùn)距長(zhǎng)，且維護(hù)簡(jiǎn)單方便，在物料輸送中得到廣泛應(yīng)用。皮帶機(jī)有水平運(yùn)輸、向上運(yùn)輸、向下運(yùn)輸三大類，向下運(yùn)輸存在“滾料”和“飛車”現(xiàn)象，安全隱患大。由于膠帶輸送機(jī)具有彈性，在啟動(dòng)加速、停車減速及張力變化過(guò)程中呈現(xiàn)出橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)以及動(dòng)態(tài)張力波的傳播和疊加，造成輸送系統(tǒng)的不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)膠帶斷裂、機(jī)械損壞、局部諧振跳帶、疊帶、撒料等。分析認(rèn)為：驅(qū)動(dòng)設(shè)備是膠帶輸送機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，直接影響到輸送機(jī)的整機(jī)性能。早先水泥廠礦山石灰石和碼頭熟料輸送膠帶機(jī)設(shè)備選型一般使用調(diào)速型液力偶合器或CST等機(jī)械和液壓方式的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，效率低、維護(hù)復(fù)雜，且非線性、啟動(dòng)電流大、調(diào)速性能差。大的啟動(dòng)加速度，容易導(dǎo)致膠帶持續(xù)波動(dòng)，張力特性較差，無(wú)法對(duì)長(zhǎng)距離輸送的皮帶實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化和為安全啟動(dòng)提供有效的保證。
變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可應(yīng)用于輸送機(jī)類恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制。在輕載及重載工況下,均能有效控制膠帶輸送機(jī)彈性負(fù)載的軟啟動(dòng)/軟停車的動(dòng)態(tài)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)之間的功率平衡，并提供可調(diào)驗(yàn)帶速度。由此降低直接啟動(dòng)/快速停車過(guò)程對(duì)機(jī)械和電氣系統(tǒng)的沖擊，避免撒料與疊帶，有效抑制膠帶輸送機(jī)動(dòng)態(tài)張力波造成的危害，延長(zhǎng)膠帶機(jī)使用壽命，既節(jié)省設(shè)備投資，又保證安全運(yùn)行。
特別是下運(yùn)式皮帶輸送機(jī)，屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)變頻器在啟動(dòng)和加速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作用于皮帶驅(qū)動(dòng)設(shè)備上，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)皮帶帶上物料后，物料重量沿皮帶傳輸方向上的分力作用于皮帶驅(qū)動(dòng)裝置上，并使驅(qū)動(dòng)力矩逐漸增大，當(dāng)此力矩大于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩時(shí)，此時(shí)皮帶驅(qū)動(dòng)裝置拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，因此需要通過(guò)制動(dòng)電阻消耗再生電能，或者通過(guò)反饋裝置將電能反送給電網(wǎng)，以防止母線電壓過(guò)沖和變頻器過(guò)壓。由于技術(shù)的限制，下運(yùn)式皮帶輸送機(jī)只能配置制動(dòng)裝置，其功能的完善、性能的好壞，直接影響著下運(yùn)帶式輸送機(jī)可靠與運(yùn)行安全。對(duì)于大傾角下運(yùn)帶式輸送機(jī)的制動(dòng)，為保證皮帶機(jī)正常開機(jī)、停車和緊急停車，避免發(fā)生事故，一般不直接采用機(jī)械抱閘制動(dòng)，而是采用可控制動(dòng)裝置。目前已應(yīng)用的可控制動(dòng)裝置主要有盤式制動(dòng)器、液力制動(dòng)器、液壓制動(dòng)器和粘液可控制動(dòng)器。在四象限運(yùn)行變頻器應(yīng)用之前，即使采用變頻器驅(qū)動(dòng)，下運(yùn)皮帶機(jī)電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，通常系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置制動(dòng)電阻來(lái)消耗其電能，讓電能白白地浪費(fèi)在制動(dòng)電阻上。這些制動(dòng)方式需要配備泵、電阻等耗能設(shè)備，靠耗能來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。四象限運(yùn)行的變頻器，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)從電動(dòng)到發(fā)電兩種狀態(tài)的自由切換，并將下運(yùn)式皮帶機(jī)勢(shì)能通過(guò)電機(jī)和變頻器轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。
根據(jù)皮帶的基本參數(shù)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)皮帶長(zhǎng)、落差大、電機(jī)功率大，啟動(dòng)、停止、運(yùn)行及緊急故障停機(jī)控制復(fù)雜，難度較大，從驅(qū)動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)控制性能、可靠性、投資、運(yùn)行成本、電力輸電和配送及能量消耗等方面分析比較，具體見表2。
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通過(guò)比較和論證，1號(hào)膠帶機(jī)和2號(hào)膠帶機(jī)選用PowerFlex70006 kV高壓四象限運(yùn)行變頻器是最佳方案。3號(hào)膠帶機(jī)選擇690 V S120低壓四象限運(yùn)行變頻器較合理。
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2 1號(hào)、2號(hào)膠帶機(jī)對(duì)變頻裝置性能的要求
(1)膠帶機(jī)屬于下運(yùn)膠帶機(jī)，帶載運(yùn)行時(shí)電機(jī)始終處于發(fā)電狀態(tài)，所以變頻器應(yīng)始終處于回饋狀態(tài)。
(2)由于下運(yùn)膠帶機(jī)的特殊性，所以要求變頻器始終處于帶電工作狀態(tài)，任何情況下都不允許其斷電(變頻器故障損壞已無(wú)輸出電壓、電流時(shí)除外)。
(3)1號(hào)、2號(hào)膠帶機(jī)選用6kV高壓變頻器，所以變頻器應(yīng)具備高壓供配電規(guī)范要求。
(4)變頻器具備主從控制多驅(qū)功能，通過(guò)光纖、編碼器等反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主從同步驅(qū)動(dòng)。
(5)高壓電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)：
額定功率： 1×1 250 kW(1號(hào)膠帶機(jī)、2號(hào)膠帶機(jī));
額定電壓： 6 kV;
額定電流： 140.7 A;
頻率： 50 Hz 。
(6)變頻器技術(shù)參數(shù)選擇：
額定輸出電壓：0～6 kV;
輸出頻率：0～50 Hz;
額定輸出功率：1 250 kW，恒轉(zhuǎn)矩皮帶機(jī)專用;
額定輸出電流：160 A ;
持續(xù)過(guò)載能力：110%;
短時(shí)過(guò)載能力：在變頻器額定電流160 A的基礎(chǔ)上具備150%變頻器額定輸出電流1 min、每隔10 min可重復(fù)一次的過(guò)載能力;
輸入整流橋：6.5 kV SCR可控硅;
逆變模塊：6.5 kV SGCT;
調(diào)速范圍：0～75 Hz(根據(jù)電機(jī)情況可設(shè)定);
調(diào)速精確度：<0.01%(6 Hz以上);
整流器件：6.5 kV SCR可控硅;
功率單元個(gè)數(shù)：18個(gè)整流SCR可控硅+18個(gè)逆變SGCT;
操作象限：標(biāo)準(zhǔn)四象限;
連續(xù)運(yùn)行可承受的欠壓百分比：在±10%額定電壓波動(dòng)范圍內(nèi)能滿載輸出，在70%～90%額定電壓范圍內(nèi)降額繼續(xù)運(yùn)行;
不平衡度最大值：30%;
功率因數(shù)：0.96(額定負(fù)荷下);
額定負(fù)載下的總效率(包括變壓器在內(nèi))：≥96.5%(變頻器本體效率≥98%);
瞬間失電延時(shí)：在廠用電切換或短時(shí)失電主電源恢復(fù)后，變頻器在0.1～1 200 s(可設(shè)定)內(nèi)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速(可設(shè)定)，而不需要手動(dòng)復(fù)位或調(diào)整;
冷卻方式：強(qiáng)制風(fēng)冷;
防護(hù)等級(jí)：IP21。
(7)移相整流變壓器技術(shù)參數(shù)要求：
型號(hào)：ZTS-1800 kVA/10/3×2.1 kV ;
額定容量：1 800 kVA;
原邊電壓：10 kV;
電壓分接：±5%;
副邊電壓：3×2.1 kV;
聯(lián)接組別：D，d0，d-20，d+20;
阻抗電壓：7%。
3 調(diào)試和試運(yùn)行
3.1 調(diào)試和試運(yùn)行的技術(shù)要求與注意事項(xiàng)
通過(guò)PLC的輸出模塊對(duì)變頻器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，變頻器在零轉(zhuǎn)速負(fù)扭矩達(dá)到最大后對(duì)PLC輸出此狀態(tài)信號(hào)，PLC發(fā)出開閘指令。盤閘打開后，對(duì)變頻器發(fā)出已開閘信號(hào)，通過(guò)變頻器輸出使膠帶機(jī)速度應(yīng)可控從0～3.8 m/s (從0～50 Hz)開始平穩(wěn)啟動(dòng);通過(guò)變頻器使膠帶機(jī)的啟動(dòng)加速度控制在a=0.025～0.1 m/s2之間，啟動(dòng)時(shí)間大約在40～160 s(從0 ～50 Hz)。
正常停車時(shí)，通過(guò)PLC的輸出模塊對(duì)變頻器發(fā)出正常停車信號(hào)，通過(guò)變頻器使膠帶機(jī)的減速度控制在a=0.025～0.05 m/s2之間，停車時(shí)間為76～160 s(從50～0 Hz);通過(guò)變頻器輸出使膠帶機(jī)轉(zhuǎn)速
可控從3.8～0 m/s(50～0 Hz)平穩(wěn)停車。滿載時(shí)當(dāng)帶速降到0.4 m/s(5 Hz)時(shí)變頻器對(duì)PLC輸出此
狀態(tài)信號(hào)，PLC發(fā)出盤閘關(guān)閉指令，盤閘制動(dòng)時(shí)間S(5～10 s)具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)盤閘制動(dòng)時(shí)間確定;調(diào)整變頻器停車時(shí)間=S，空載時(shí)當(dāng)帶速達(dá)到0 m/s(0 Hz)時(shí)變頻器以對(duì)PLC輸出此狀態(tài)信號(hào)，PLC發(fā)出盤閘關(guān)閉指令。
驗(yàn)帶速度：0.4 m/s(5 HZ);
急速停車時(shí)，通過(guò)PLC的輸出模塊對(duì)變頻器發(fā)出急速停車信號(hào)。通過(guò)變頻器輸出使膠帶機(jī)減速度
控制在a=0.1～0.15 m/s2左右，制動(dòng)時(shí)間為27～40 s(從50～0 Hz)左右，當(dāng)帶速降到0.8 m/s(10 Hz)時(shí)變頻器對(duì)PLC輸出此狀態(tài)信號(hào)，PLC發(fā)出盤閘關(guān)閉指令。盤閘制動(dòng)時(shí)間S(5～10 s)具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)盤閘制動(dòng)時(shí)間確定，調(diào)整變頻器停車時(shí)間=S(從10～0 Hz)。
當(dāng)跑偏開關(guān)動(dòng)作時(shí)變頻器要正常停車;當(dāng)拉繩、打滑、防撕裂動(dòng)作時(shí)，變頻器要急速停車。
變頻器故障時(shí)立即對(duì)PLC輸出此狀態(tài)信號(hào)，PLC立刻發(fā)出盤閘關(guān)閉指令。值得注意的是雙驅(qū)動(dòng)裝置，變頻器應(yīng)考慮到兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速同步、轉(zhuǎn)矩平衡及兩臺(tái)變頻器之間的連鎖和互鎖等相關(guān)問題。
3.2 變頻器系統(tǒng)應(yīng)配置的具體信號(hào)
(1)PLC系統(tǒng)配置如下模塊，與變頻器進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口，需要變頻器進(jìn)行相應(yīng)配置：DI模塊，變頻器輸出開關(guān)量點(diǎn)通過(guò)繼電器輸入到PLC;DO模塊，PLC通過(guò)繼電器輸出開關(guān)量點(diǎn)到變頻器;AI模塊，變頻器可輸出4路4～20 mA信號(hào)到PLC;AO模塊，變頻器可接收4路PLC發(fā)出的4～20 mA信號(hào)。
(2)速度設(shè)置分為三檔，以滿足不同工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)：驗(yàn)帶速度，0.4 m/s，即5 Hz;中間速度，2.4 m/s，即30 Hz;滿速運(yùn)行，3.8 m/s，即50 Hz。
(3)時(shí)間設(shè)置分為三種：正常啟動(dòng)時(shí)加速時(shí)間為40～106 s;正常停止時(shí)減速時(shí)間為70～160 s;急速停車時(shí)減速時(shí)間為27～40 s。
(4)變頻器輸出開關(guān)量信號(hào)點(diǎn)：a.備妥;b.運(yùn)行;c.故障;d.達(dá)速; e.零轉(zhuǎn)速負(fù)轉(zhuǎn)矩達(dá)最大信號(hào);f.滿載停車時(shí)帶速降到0.4 m/s(5 Hz)信號(hào);g.急速停車時(shí)帶速降到0.8 m/s(10 Hz)信號(hào); h. 空載停車時(shí)帶速降到0 m/s(0 Hz)信號(hào) 。
(5)變頻器輸入的開關(guān)量信號(hào)點(diǎn)： a.啟動(dòng);b.停止;c.故障復(fù)位;d.急速停車;e.閘已打開;f.驗(yàn)帶運(yùn)行; g.中速運(yùn)行;h.滿速運(yùn)行;i.加速時(shí)間1 ;j.加速時(shí)間2; k.加速時(shí)間3 ;l.減速時(shí)間1;m.減速時(shí)間2;n.減速時(shí)間3。其中i、j、k、l、m、n項(xiàng)通過(guò)變頻器參數(shù)自行設(shè)定。
3.3 試運(yùn)行分析
1號(hào)長(zhǎng)皮帶設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)為1 250 kW電機(jī)，高差111 m，由于皮帶機(jī)較短，皮帶下行角度大，設(shè)計(jì)時(shí)未考慮帶編碼器，通過(guò)變頻器參數(shù)設(shè)置，采用開環(huán)標(biāo)量控制。調(diào)試和試生產(chǎn)期間，變頻器對(duì)長(zhǎng)皮帶啟動(dòng)控制不穩(wěn)，容易造成皮帶蠕動(dòng)、疊帶等現(xiàn)象。帶載啟動(dòng)時(shí)，變頻器內(nèi)部的逆變功率器件損壞多次，每次損壞6塊SGCT功率器件。
2號(hào)長(zhǎng)皮帶布置為U字形，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝編碼器，調(diào)試帶載啟動(dòng)時(shí)皮帶有稍微蠕動(dòng)，帶載停機(jī)時(shí)偶然有疊帶現(xiàn)象。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整控制程序和變頻器參數(shù)，對(duì)凹弧段加密支架，帶載啟動(dòng)、帶載停機(jī)比較平穩(wěn)，變頻器一直未發(fā)生故障。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，認(rèn)為其最主要原因是電機(jī)未安裝編碼器，變頻器在低速時(shí)默認(rèn)電動(dòng)狀態(tài);而實(shí)際上帶料啟動(dòng)時(shí)，只要盤閘一松開，皮帶機(jī)就自動(dòng)下行，實(shí)際此時(shí)變頻器應(yīng)該拖住皮帶，而不應(yīng)該是電動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)未安裝編碼器時(shí)，皮帶上的料一定先清空然后再啟動(dòng)變頻器。采用閉環(huán)矢量控制比采用開環(huán)標(biāo)量控制能更好地滿足低頻率長(zhǎng)皮帶啟動(dòng)要求。通過(guò)對(duì)電機(jī)安裝編碼器后，采用閉環(huán)矢量控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，變頻器自動(dòng)區(qū)分電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)，帶載啟動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，未出現(xiàn)皮帶蠕動(dòng)或疊帶等現(xiàn)象。自此變頻器再也沒有發(fā)生功率器件損壞記錄。
變頻器母線過(guò)電壓，兩條皮帶變頻器運(yùn)行中出現(xiàn)變頻器整流母線過(guò)電壓報(bào)警，連續(xù)多次過(guò)壓后造成變頻器停止運(yùn)行，皮帶機(jī)跳停。針對(duì)該問題，調(diào)試專家通過(guò)示波器檢測(cè)認(rèn)為，整流移相變壓器二次側(cè)移相角有偏差，通過(guò)調(diào)整低壓繞阻接線，保證低壓各繞阻20°移相角。通過(guò)檢測(cè)整流變一、二次交流電壓波形，滿足變頻器整流變移相角波形要求。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次試機(jī)，到目前為止未出現(xiàn)整流器過(guò)電壓故障。
4 經(jīng)濟(jì)效益分析
該水泥廠礦山石灰石1號(hào)、2號(hào)輸送皮帶機(jī)使用了PowerFlex7000四象限運(yùn)行的變頻器，在皮帶機(jī)運(yùn)行時(shí)使得變頻器長(zhǎng)時(shí)間處于能量回饋狀態(tài)，將石灰石的勢(shì)能通過(guò)電機(jī)和變頻器轉(zhuǎn)換的電能直接回饋到母線電網(wǎng)上，使得電流從電機(jī)側(cè)經(jīng)變頻器送至電網(wǎng)。只有在皮帶機(jī)運(yùn)行初期階段(即石灰石的勢(shì)能未能驅(qū)動(dòng)皮帶)時(shí)，變頻器才從電網(wǎng)上吸取電能;在皮帶機(jī)正常運(yùn)行和停止過(guò)程中，電機(jī)都處于再生發(fā)電狀態(tài)(第四象限)。
使用PowerFlex7000四象限運(yùn)行的高壓變頻器的1號(hào)、2號(hào)膠帶機(jī)，電機(jī)可以自由從電動(dòng)到發(fā)電兩種狀態(tài)的自由切換，并將石灰石的勢(shì)能通過(guò)電機(jī)和變頻器來(lái)轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。1號(hào)、2號(hào)膠帶機(jī)自2010年12月投入使用，截至2013年8月底，礦山1號(hào)皮帶累計(jì)總回饋電網(wǎng)電量500 390.0 kWh，礦山2號(hào)皮帶累計(jì)總回饋電網(wǎng)電量為910,557.4 kWh。