6 kV变频调速装置在带式输送机的应用.pdf

第3 5 卷第1 0 期煤炭科学技术2 0 0 7 年1 0 月 6k V 变频调速装置在带式输送机的应用 ． 白晓满1 ，2 1 ．中国矿业大学，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ．平顶山煤业 集团 有限责任公司东联机械制造有限责任公司，河南平瑗山4 6 7 0 2 1 摘要通过对高压变频调速技术性能分析，并结合具体设计应用研究，解决了长运距、大运量、 大功率带式输送机的启制动加速度、运行调速、力矩平衡、可视化监控等关键问题，有效地提高了 带武输送机运行控制性能。 关键词高压交颓；调速；带式输送机；功率平衡；节能降耗；P L c ；M c G S 中图分类号T D 5 2 8 ．1文献标志码B文章编号0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 7 1 0 0 0 6 7 一0 3 A p p l i c a t i o no f6k Vf t e q u e n c yc o n v e r t e ds p e e dc o n t r o ld e v i c et ob e l tc o n v e y o r B A IX i a o ．m a n l ，2 1m f 胁‰聊瓜寸。，M “啷∽d7 l 如瑚妇y ．x 血伽2 2 1 0 0 8 ，跏坼； 2 ．D “ l 出n 胁小l n 州胁响u 咖o “严”y 脱，P f 岵西n 扩k Ⅱc o 以肘轨‘昭陆岬∞7 砷叫枷￡吐．P f n 鲥m p br m4 6 7 0 2 1 ．蕊啪 1 概述 带式输送机是煤矿、冶金、码头普遍采用的连 续运输设备，对启动和制动过程的控制一直是影响 带式输送机可靠性和经济性的重要因素。过去很长 时问里，液力偶合器以功率适应范围大；结构较简 单、投资不算太大、可空载启动、不产生高次谐波 等优点成为带式输送机的调速方式主要选择方向。 其缺点主要表现在有滑差损失，滑差功率损耗变 为油的热量使油温升高，需要冷却设备，且投入耦 合器前要先将电机工频启动，启动电流较大，并随 着使用时间的延长，机械磨损和老化问题日趋严 重，故障率增加，电动机效率低，并存在电机间的 同步以及出力不均的问题。另外，美国某公司的可 控启动传输装置c s T ，虽能很好地解决大功率带式 输送机的启制动过程的控制，但结构复杂，成本 高，同液力偶合器一样也存在维护量大等问题。 近年来，变频技术的应用在我国有了很大的发 展，与传统机械调速方式比较，其优越性日趋突 出，以控制精度高，优越的漏速和启制动性能等优 点，在节能、减少维护、提高产品质量等方面取得 了明显的效益。目前，以P w M 控制、第四代I G B T 直接串连三电平、6 脉冲变流技术的中小功率低压 变频器在带式输送机上成功地应用，提高了带式输 送机的运行性能。近几年，长运距、太倾角、大运 量带式输送机成为新的发展方向。其安全、经济、 可靠、高效运转成为新的研究课题。这些带式输送 机具有线路复杂、驱动功率较大，通常在4 0 0k w 以上，且需用多台电动机驱动的特点，采用低压变 频方式已显得不很适宜。在近几年，随着以c T O ， I G B T ，I G c T 等自关断器件的发展，各种适合高压 变频的主电路拓扑结构研究的进一步深入，高压大 容量变频调速技术取得了突破性进展。因此，采用 高压变频调速技术对大功率带式输送机进行驱动和 控制，以满足整机动态稳定性及可靠性的要求。是 促进能源节约的一种重要手段。 2 高压交流变频调速装置技术指标的确定 ，通过对高压大容量的变频器结构特点分析，并 结合带式输送机调速范围、静态速度精度、启动转 矩等的要求．确定以下主要技术指标做为高压变频 装置对带式输送机进行驱动和控制的设计依据。 1 高一高结构，即6k V 输入／输出，不需 输出升压变压器，简化和减少变配电环节的设备， 直接适用于6k V 电源系统。 2 变频输出为单元串联移相P W M 方式，输 出相电压至少为1 3 电平，线电压至少为2 5 电平。 3 一体化设计，包括输入干式隔离变压器， 变频器等所有部件及内部连线，减少占地空间，提 高了效率，易于现场的管理维护。 _ 4 谐波抑制采用3 6 脉冲整流输入，符合并 优于I E E E 5 1 9 1 9 9 2 及G B ／T 1 4 5 1 9 ～9 3 标准对电 6 7 万方数据 第3 5 卷第l O 期煤炭科学技术2 0 0 7 年1 0 月 压失真和电流失真的严格要求。 5 无需滤波器变频器就可输出正弦输出电 流和电压波形，对电机没有特殊要求，可以使用普 通异步电机，电机不必降额使用。电机不会受到共 模电压和d ∥山的影响。 6 无需功率因数补偿装置，在2 0 ％一1 0 0 ％ 的负载变化情况内功率因数达到或超过O ．9 5 。 7 采用先进的无速度传感器矢量控制。 8 功率单元和主控系统通信采用光纤连接， 具有很高的通信速率和抗干扰能力，安全性好。 9 启动转矩满足每l Om i n 有lm i n 的2 0 0 ％ 的转矩过载能力要求，适应输送机重载启动要求。 3 设计应用研究 通过以上对高压变频装置技术指标分析，在甘 肃某煤矿主斜井带式输送机的设计采用了高压变频 调速技术，该机长度为10 2 Im ，倾角2 5o ，运量 3 5 0 ∥h ，在综合考虑现场实际运行特点，确定该 机带速P 3 ．1 5m r n ／s ，设计功率Ⅳ 2 4 0 0k w ， 采用双电机、双滚筒驱动，电机与减速器之问刚性 联接，中间没有其他功率传递装置的驱动单元形 式，具有占地空间小，容易布置；能量传递的环节 少，使驱动系统的效率高，维护工作量小等优点， 是带式输送机一种最有效经挤的驱动方式。 传动形式采用2 台额定输出功率为6 0 0k w 、 以先进的矢量控制技术构成的高压变频调速装置对 2 台4 0 0k w 国产普通6k V 高压电机进行调速控 制。高压柜系统采用K Y N 2 8 A 户内金属铠装抽出 式金属封闭开关柜，一台进线柜采用双回路进线形 式，满足煤矿主斜井供电要求。2 台启动柜为分断 2 台变频器的6k v 电源主开关及变频器旁路时2 台主电机的直接启动控制及保护，2 台旁路柜作为 2 台电机接入变频电源或工频电源时的转换开关。 传动装置及系统结构如图1 所示。 4 监控系统设计 随着对带式输送机的可靠性和经济性要求的不 断提高，在充分结合高压变频技术以及迅速发展的 计算机技术、自动控制技术，并通过对现有控制设 备的综合技术分析，设计了相应的监控系统，该系 统基于西门子s 7 3 0 0 型P L c 逻辑控制，以嵌入 式工控机系统为监控中心，用来完成整个系统的数 据采集、设备控制、信息传输及全过程的可视化监 6 8 6 k v 电源2 6k v 电源1 上位计算机监控系统 叫斟凹刚I l J 睦 e w 燕I 麓嚣碍s 4 0 0 k wL 一 4 0 0k w L 一 抽机掣主电机掣j 制动鞲广‘旧制动器广1 臼 嵌 式工 控书I 系统 P L c 控制系统 带式输送机 图1 传动装置及系统结构 控。有效地解决以下技术难点 1 拖动电机的控制方式。由于该带式输送 机双电机、双滚筒驱动，因此，电机的控制方式是 相互关联的。若2 台电机的传动都作为独立的速度 控制，运行时，2 台电机的转矩难以调整。为了满 足2 台电机速度同步，又要2 台电机的转矩平衡， 把控制系统设计为1 个速度环、2 个电流环的主从 控制结构。控制框图如图2 所示。 圈2 拖动电机的控制 2 力矩平衡控制。由交流异步电机的机械 特性可知，同一型号和功率的2 台电动机的机械特 性相同，理论上讲，负载在2 台电机间平均分配， 2 台电机各承担1 ／2 的负载。但在实际中，由于2 台电机制造的材料和工艺误差及2 套机械减速装置 的制造误差，导致2 套电机拖动系统的特性很难完 全一致，所以负载在两电机间很难完全平均分配。 为解决2 台电机的转矩和拖动功率平衡问题。 采用了主从控制方式，主变频器按照带式输送机要 万方数据 第3 5 卷第1 0 期煤炭科学技术 2 0 0 7 年1 0 月 求对整个系统进行速度控制，主变频器的速度调节 器的输出作为转矩设定值，分派给主变频器和从变 频器，取2 台电动机在各自系统中的磁通值，把转 矩给定值转换为电流给定值，进行各自的电流闭环 调节，这不仅保证了2 台电动机的出力一致，而且 达到了转矩平衡。 3 速度同步控制。由于采用了l 台电机的 速度计算值作为内部速度反馈信号，满足了速度的 控制要求，又由于采用了转矩平衡控制 转矩给 定为同一值，且采用闭环调节 使2 台电机出力 相同，故电机预达到的速度也是一致的。 4 启动加速度控制。由于变频器的矢量控 制技术及转矩控制功能和快速电流限制功能，使输 送机获得了比较好的启制动加速度。优于现行标准 规定的O ．1 0 ．3 n ／s 2 输送机的启制动加速度值。 5 运行速度控制。可以根据实际负载来确 定带式输送机的实际运行速度，即根据负荷的变化 来调整系统速度给定信号。按照实际情况要求，可 以采用分级给定和无级调速给定2 种方式。 分级给定是指整个速度按煤量不同，结合带 速、带强等，分为5 级满载、煤量大、煤量中、 煤量小、验带。 无级调速给定是指采用P L c 自动和手动无级 给定2 种形式，前者由P L c 实际检测负载，当空 载或煤量少时，带式输送机可以很低的速度维持运 转，随着负荷的增加，给定速度相应增加。电机速 度、输送带运转速度也相应增加，反之亦然。后者 通过手动调节旋钮，实现手动无级调速。 6 P L c 软件设计。终端采用梯形图语言编 写，为提高终端的抗干扰能力，软件设计中采用了 数字滤波、故障自检、控制口令等措施，保征控制 操作的正确性和可靠性。程序设计采用模块化、功 能化结构，便于维护、扩展。 7 监控软件设计。采用M c G s 全中文工业 自动化控制组态软件，组建了优质高效的监控系 统，用来完成现场数据采集、实时和历史数据处 理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势 曲线和报表输出以及企业监控网络等功能，使带式 输送机运输更加安全高效。主监控界面如图3 所 示。 8 带式输送机保护系统。按煤矿安全规 程的要求，设有沿线急停、温度、烟雾、纵向 撕裂、煤位、跑偏、张紧限位、速度、断带、超温 图3 主监控界面 自动洒水等各种常规保护，此外还设有主电机三相 定子绕组温度、前后轴承温度、变频器的功率单元 柜温度、隔离变压器温度、变频器故障、高压开关 柜故障等各种故障保护功能。 5 应用情况 该6k v 高压变频调速带式输送机于2 0 0 6 年6 月安装调试投入运行以来，运行情况良好，主要表 现在以下几个方面 1 有效地实现启动加速度控制、运行调速 控制、力矩平衡控制及速度同步控制，转矩和速度 控制精确平滑，保持输送带动态张力最小，启制动 过程输送带无震颤，噪声低，从而显著延长了输送 机的使用寿命，并实现经济运行。 2 整机结构合理，设备配置优化，有利于 用户的现场管理和维护，降低了对电网的容量要求 和无功损耗。 3 对电网谐波污染极小，输入功率因数高， 输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发 热、转矩脉动、噪声、d ∥出及共模电压等问题的 特性，不必加输出滤波器，就可以适用于由普通国 产电机做为主驱动电机各类带式输送机。 4 控制面板可完成对系统监控及集控、就 地、检修、手动等不同工况下的操作控制。 5 完善的带式输送机各种故障检测及全面 的故障监控功能。实现控制系统的自检、报警、信 号记忆。 6 通过多功能显示平台实现系统的实时数 据和历史数据登录功能，以及系统各种运行参数／ 下转第1 0 2 页 6 9 万方数据 第3 5 卷第1 0 期煤炭科学技术2 0 0 7 年1 0 月 影响阶段还足回采影响阶段，帮锚杆的锚托力均较 小，最大值小于9 0k N 。在采动影响期间，锚固力 不但没有提高，反而有所下降。 造成这种现象的原冈是巷道周围煤体在采动影 响下较破碎，掘进时两帮成形不好，金属网及托板 均难背实，顶板来压时，由于煤体松散，锚杆托板 处煤体松动和滑移，使锚杆丧失应有的约束作用， 同时产生兜网现象。而顶压越大，煤帮就越破碎， 锚杆作用下降，当松动区超过锚杆锚固范围时，锚 杆的作用完全丧失。 从巷道围岩观测的变形过程来看，采动影响阶 段在3 0d 内的上覆岩层活动较剧烈，围岩变形速 度较大，随后以较缓的速度变形。巷道受采动影响 后，滞后影响比超前影响要大的多，而且为滞后破 坏。巷道的变形破坏程度与巷道所处的岩性有很大 关系，巷道处在硬岩中比在软岩中小，处在结构较 完整处比破碎地段变形要小。 参考文献 [ 1 ]宋振骐．实用矿山压力控制[ M ] ．徐州中国矿、I k 大学出 版社．1 9 s 8 [ 2 ]侯朝炯．郭宏亮我国煤巷锚杆支护技术的发展方向[ J ] ． 煤炭学报．1 9 9 6 4 ． [ 3 ]康红普．煤巷锚杆支护设计方法及应用[ J ] ．矿山压力与 顶板管理，1 9 9 6 增 【4 ] 何满潮，袁和生中国煤矿锚杆支护理论与实践[ M ] ．北 京科学出版社．2 0 0 4 ． 作者简介史正滨 1 9 7 4 一 ，男，山东东平人，工程师，现 任山东里能集团有限公司鲁西煤矿采煤工区区长．一直从事栗燥技 术与管理工作。T e l 】3 3 5 5 3 7 9 1 9 5 ．E 咖1 ．c h l n 缸r I 研口 i 6 3 洲 收稿日期2 。0 7 一0 5 一】o ；责任编辑曾康生 上接第6 9 页 变量的中文显示。并建立故障排除系统，使用户在 电脑系统的指引下逐步排除故障。 7 由于对采用了运行过程的分级和无级调 速控制，可根据运煤量大小即时调整带速，提高了 带式输送机的工作效率。 6 结语 现场应用表明，高压变频调速控制系统可有效 地改善和提高带式输送机启动、运行控制性能，实 现了带式输送机的安全、高效、经济、可靠运转， 延长输送带、主驱动电机、减速机等传动设备的使 用寿命。 为解次带式输送机的传动控制设计及改造、系 统监控、节能降耗、提高效率，提出了新的设计思 路。 目前，高压变频装置的一次投入虽较大，但从 长期应用的可靠性、寿命、维护量、节能等角度来 看，所带来的经济效益和社会效益是非常可观的， 尤其在今后发展必将显示更大的生命力。 作者简介白晓满 1 9 6 6 一 ，男，河南焦作人，高级工程 师，现任平顶山煤业 集团 东联机械制造有限责任公司吾蟾i 经 理，主要舣事爆矿机恿设备的技术研发和管理工作。 1 0 2 上接第8 9 页 6 巷道位移测试 巷道位移测试仪器采用s M K I 型钢环式收敛 计，布置4 个观测断面，各观测断面间距3 5m 。 观测时间安排开始时每天测1 次，7d 后每3d 测1 次，1 个月后每周测1 次 表2 。通过表2 可 知，支护的收缩量合适，巷道支护3 个月后，围岩 位移趋于稳定，符合使用要求。 表2 锚唛巷遭围岩观测位移量 参考文献 [ 1 ]何满潮软岩巷道工程概论[ M 】．徐州中国矿业大学出 版社，1 9 9 3 [ 2 ]赵全福．煤矿安全手册[ M ] ．北京煤炭工业出版杜， 1 9 8 9 作者简介邦飞 1 9 6 5 一 ，男，安徽准北人．高级工程 师．硕士研究生，从事矿井基本建设工作。E 一唯I I h f - v I k h b c 。a Ic o m 收稿日期2 0 0 7 一0 5 一0 9 ；责任编辑王宗禹收稿日期2 0 0 7 0 6 2 6 ；责任编辑王晓碜 万方数据 6 kV变频调速装置在带式输送机的应用6 kV变频调速装置在带式输送机的应用 作者白晓满， BAI Xiao-man 作者单位中国矿业大学,江苏,徐州,221008;平顶山煤业集团有限责任公司,东联机械制造有限责任 公司,河南,平顶山,467021 刊名 煤炭科学技术 英文刊名COAL SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷期2007,3510 被引用次数1次 引证文献1条引证文献1条 1.白霄.魏讲鹏 变频调速驱动技术在锦界矿主运输系统的应用[期刊论文]-煤炭科学技术 20081 本文链接