皮帶運(yùn)輸機(jī)專用高壓變頻器的設(shè)計(jì)

      摘 要：本文針對(duì)由3臺(tái)高壓異步電機(jī)拖動(dòng)的皮帶運(yùn)輸機(jī)，若采用常規(guī)高壓變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制時(shí)，將出現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)差能量處理、多電機(jī)環(huán)流、3電機(jī)同軸同步控制等技術(shù)難度問(wèn)題。設(shè)計(jì)出了一種JCC型皮帶運(yùn)輸機(jī)專用高壓變頻器，成功地應(yīng)用在大同馬脊梁煤礦外運(yùn)皮帶機(jī)。共用了3臺(tái)6kV/500kW高壓電機(jī)的變頻拖動(dòng)。拓展了IGBT高壓變頻器在多電機(jī)的同軸、同步控制應(yīng)用的新領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器；電動(dòng)機(jī)同軸；IGBT直接串聯(lián)；主從控制；共直流母線；同步控制；功率平衡；轉(zhuǎn)差能量

1 引言

近幾年隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的高速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展也十分迅速，其性能也勝過(guò)其他任何一種交流調(diào)速(如降壓調(diào)速、滑差調(diào)速、液力耦合器等)方式，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，調(diào)速范圍廣，節(jié)能顯著。尤其是最近高壓變頻器的飛速發(fā)展，讓高壓電機(jī)高性能地調(diào)速變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。但現(xiàn)在多數(shù)的三電平、單元串聯(lián)類的高壓變頻器，存在對(duì)大能量回饋時(shí)還不能解決的問(wèn)題，只能應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類的應(yīng)用領(lǐng)域。

大同馬脊梁煤礦外運(yùn)皮帶機(jī)采用三臺(tái)高壓電機(jī)并聯(lián)拖動(dòng)，且電機(jī)安裝在三樓，整套系統(tǒng)是由工作在額定轉(zhuǎn)速的三臺(tái)500kW高壓異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)液力耦合器與減速機(jī)減速來(lái)驅(qū)動(dòng)滾筒，然后通過(guò)滾筒與皮帶間的摩擦力來(lái)帶動(dòng)皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)。傳動(dòng)系統(tǒng)的配置如圖1所示。

圖1 傳動(dòng)系統(tǒng)的配置圖

系統(tǒng)控制的對(duì)象是電機(jī)，一般M1和M2為同軸電機(jī)(即兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)一個(gè)滾筒)。這就要求電機(jī)啟動(dòng)有良好的同步性。系統(tǒng)的關(guān)鍵傳動(dòng)設(shè)備是液力耦合器，液力耦合器存在著起動(dòng)力矩很小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的性能因素，便出現(xiàn)一些不理想的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在：

(1) 投入耦合器前要先將電機(jī)全頻、全壓?jiǎn)?dòng)后再加液壓去耦合減速器。這種啟動(dòng)方式啟動(dòng)電流大，啟動(dòng)力矩小，投切時(shí)機(jī)械振動(dòng)大、可能會(huì)使皮帶受沖擊大而易斷。皮帶主機(jī)又安裝在樓上，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，樓房因劇烈振動(dòng)出現(xiàn)嚴(yán)重受損;

(2) 液力耦合器的機(jī)械磨損和老化、漏油等問(wèn)題日趨嚴(yán)重，性能逐年降低，故障率增加，設(shè)備維修費(fèi)用高、難度大;

(3) 皮帶機(jī)效率低，損耗大，耦合器的投入造成了耦合性無(wú)功轉(zhuǎn)差，使電能浪費(fèi);

(4) 液力耦合器故障時(shí)，無(wú)法切換到工頻旁路運(yùn)行，必須停機(jī)檢修。且維修復(fù)雜，嚴(yán)重地影響生產(chǎn);

(5) 液力耦合器不能解決3臺(tái)電機(jī)同軸傳動(dòng)間的同步與功率平衡關(guān)系，造成不少的無(wú)功環(huán)流電耗。

針對(duì)以上問(wèn)題，經(jīng)礦局相關(guān)專家在全國(guó)的考察和技術(shù)論證，選用成都佳靈電氣制造有限公司生產(chǎn)的JCC-6kV/500kW-IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器，3臺(tái)共直流母線方案。經(jīng)局領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)采用該方案，實(shí)現(xiàn)高壓變頻器對(duì)外運(yùn)皮帶機(jī)進(jìn)行高性能的工藝調(diào)速、節(jié)電控制的改造計(jì)劃。

2 對(duì)高壓變頻器主要技術(shù)條件的要求

煤炭外運(yùn)皮帶機(jī)是全礦的流程中樞，一旦皮帶機(jī)不能正常工作，將造成全礦停產(chǎn)，且會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。另外高壓變頻器須安裝在環(huán)境相當(dāng)惡劣，煤灰比較重，粉塵大的場(chǎng)合。因此要求高壓調(diào)速系統(tǒng)具有極高的可靠性、穩(wěn)定性、防護(hù)性。基于以上工作特點(diǎn)，變頻器設(shè)計(jì)中須滿足的主要技術(shù)條件如下：

(1) 高壓變頻器具有高可靠性、穩(wěn)定性、防護(hù)性。長(zhǎng)期運(yùn)行的質(zhì)量指標(biāo);

(2) 變頻器具有工頻運(yùn)行的旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，能夠讓電機(jī)切換到工頻運(yùn)行;

(3) 高壓變頻器能夠?qū)?臺(tái)電機(jī)的同軸同步軟啟動(dòng)，軟停止功能。起動(dòng)、停止能按所設(shè)定的皮帶特性曲線運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中能夠自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)和功率平衡調(diào)節(jié);

(4) 變頻器的輸出力矩不小于電動(dòng)機(jī)額定力矩的200%，可使電機(jī)能輸出200%的起動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩1min。滿足負(fù)載變化大的承受能力和煤炭壓帶時(shí)的再起動(dòng)的能力;

(5） 具有制動(dòng)能量和電機(jī)的轉(zhuǎn)差再生能量的利用功能;

(6) 須滿足煤礦電控系統(tǒng)的功能接口和監(jiān)控要求;

(7) 皮帶運(yùn)輸機(jī)在煤量不大和在安裝皮帶的情況下要求降速運(yùn)行，不需要滿負(fù)荷運(yùn)行。利用高壓變頻器根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，既符合工藝要求，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的;

(8) 變頻器啟動(dòng)過(guò)程要求平穩(wěn)，無(wú)沖擊，另要求體積小，好搬運(yùn);

(9) 其它條件:同軸兩臺(tái)電機(jī)采用共直流系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)分開(kāi)，單臺(tái)電機(jī)單獨(dú)控制。