变频器调速驱动系统在煤矿胶带机输送系统中的应用

[摘 要]本文针对变频器在大型煤矿输煤系统中的实际应用进行了分析，对变频器的结构、工作原理进行了说明，且对大功率变频器在输煤系统胶带输送机上的应用进行了探讨。

[关键词]输送机；功率；变频器

中图分类号：TV115 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）16-0266-01

电子技术的发展，带动了很多大型电子机械及设备的实际应用。在最近的二十年中，变频技术得到了广泛普及。变频器实现了在输送机类恒转矩负载中的应用，其调速驱动过程使胶带机的启停得到了优化，使得设备冲击小、调速范围大、节能可靠等特点。经过神华能源股份有限公司的实践性分析，认为用变频器替换液力耦合器及CST，对胶带输送机进行驱动改造，效果明显。

一、变频器介绍

把直流电源进行转化，变成交流电的设备就是逆变器，如果逆变器使得其电压及频率可以随意调节那它就是变频器。其波形为正弦波，由于其可以被用于三相异步电动机的调整也被叫做变频调速器。现在广泛使用的变频器都是由交流转换到直流在变成交流的方式，在工作中，通过整流器实现了对工频交流电源变为直流的转换后，再将其变成电压及频率均可以随意调节的交流电提供给电动机。

（一）变频工作原理

我们可以用电动机转速公式进行说明：

n=60f/p（1-s）

其中电动机转速：n，电源频率：f，电动机磁极对数：p，电动机转差率：s。

从以上公式中获知：电动机是依据电源频率及磁极对数来控制旋转速度的。从其工作原理的角度看，其磁极对数是固定的，因此在需要其改变转速时只需要对其供电频率进行调节便可以实现。但如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。

例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V。

（二）变频控制原理

主要是依靠矢量控制技术及PWM脉冲宽度调制技术实现的。

1、PWM变频控制原理

PWM就是脉冲宽度调制技术，在本文中用正弦波脉冲宽度调试技术SPWM来对PWM变频器的控制原理进行说明。SPWM是指各脉冲的宽度，它是指电压是以正弦波规律予以输出的。SPWM一般包含了正弦波的基准信号及等腰三角波的载频信号等。在这里三角波与正弦波相互交织，以对各分段矩形脉冲的宽度予以确定。加之三角波两腰间的宽度呈现出高线性改变，因此，任意一条在调制范围内的曲线在与三角波都会有一个相交点，我们便会得到矩形脉冲，这种脉冲其等矩、等幅，通过使用基准信号可以得到矩形脉冲序列，这个脉冲序列信号便可以控制逆变器的打开及关断。由此可知，通过对正弦基准信号的频率及幅值予以改变，便使得逆变器的电压及频率随之改变。

2、矢量控制原理

是通过对异步电动机的定子电流矢量的测量及控制，再依据磁场定向的原理实现了对其转矩电流及励磁电流的控制，因此实现了对异步电动机转矩的控制。其具体步骤为：现将异步电动机定子电流矢量进行分解，使之变为励磁电流及转矩电流，再实施分别控制后，在对其两个分量的相位及幅值实施控制，就实现了对定子电流矢量的控制。通过这种控制实现了对变频器输出电压的调整。

（三）变频器基本构成

本文中涉及的变频器是12脉冲三电平PWM电压源型变频器，分为主回路及控制回路两个部分。在这里主要针对主回路进行说明。他有整流逆变等部分构成。

整流部分：通过二极管将原来交流电变为直流电。在直流环节，为了解决直流电压中的脉动电压及脉动电流，使用了电容器进而使得电压保持平稳。逆变部分：通过这个环节使已经变成的直流电转变为设备需要的交流电，在规定时间里得到三相交流电的输出。

二、在矿井胶带机输送系统中变频器的应用

（一）变频器的应用实例

我们对胶带机在实际系统中的应用进行了解，主要针对其调速驱动部分。此胶带机驱动部分使用了青岛天信BPJ-1000（700）/1140矿用隔爆兼本质安全型交流变频器（以下简称变频器）。应实际需要，将三台变频器要实现主从控制。就是将二次电动机作为主传动，其模式为闭环控制模式，以1#电动机转速为主，将1#设定为主传动，2#3#电动机被设定为从驱动。如果二次电动机在转速上达不到要求时，速度环会自行饱和，电流环开始工作。主驱动及从驱动之间需要依靠一定的通信予以连接，并对变频器的相关参数予以设定，以便有效对变频器的负荷予以分配。

如果主驱动出现故障需要维护时，可通过变频器操作面板控制3台电机的主从关系以确保输送机正常运行。

图所示为变频器调速驱动系统所实现的胶带输送机启动和停车时的优化/SO形特性曲线。

胶带输送机的启动：将主从控制器PLC指定为函数发生器，变频器的度给定信号来自S0型曲线，电动机轴编码器发出的信号通过主驱动作为一种反馈信号，此时，主传动输出会随着S0型曲线发生改变，并且其会变成矩控信号指令给从驱动，使得电动机功率及电流达到平衡。

胶带机输送机的停止：胶带机工作完成后，通过停车指令，随着S0型曲线的下降，变频器会以软控制停车。随着速度不断地降低，直至达到允许停车时，装置会自动断电。

（二）应用需要注意的相关事项

1、电抗器，防止设备产生高次谐波，会发生危及电网及设备安全的事故，因此，在实际中是否需要安装电抗器，多是依据变频器的容量决定。2、滤波器：为了减少输出电流中的高次谐波而装设的，如果电动机距离变频器很远，最好实施安装。3、散热问题。变频器设备通常会因为运行温度过高而发生故障，其故障率是随着温度的不断提升而上升的，反之，其寿命却随着温度的不断提升而下降。如果工作周边温度提升10度，就会令其寿命减短一半。在此文中涉及的变频器为水冷变频器，想要变频器保持稳定状态运行，必须要保持其水冷系统的可靠稳定运转。

（三）变频调速同传统驱动性能对比分析

煤矿中传统胶带机一般多为液力耦合机构，随着电力技术的不断提升，在一些大功率变频器上使用变频调速系统，使得调速系统得到了发展与普及，笔者认为类似胶带机这种传动机械如果采用变频调速系统其优势是传统机构无法比拟的，现列举如下：

1、随着PWM在实际中的应用，使得调幅与调频在同期完成，既保障了设备的安稳运行，也减弱了噪音及谐波。2、尽管胶带输送机在变频节能上远不如泵类机械，但由于其工作环境特殊，满负荷时候很少，所以使用变频调速系统是非常可行的，据相关统计数据表明，使用了变频调速系统可节电20%以上。3、使用变频调速可以减弱启动过程中的张力及震动，可以使其转动部件旋转次数降低，对于胶带及设备本身而言，延长了其使用寿命。4、变频器的优点为：故障次数少，维修便捷而且维护工作量小。

三、结语

神华能源股份有限责任公司经过大量的研究及实践，在煤矿胶带输送机上使用这种变频器已经一年。在安装了变频器后，发现其运行稳定，节约电能，极大提升了系统运行的可靠性，非常适合在胶带机上使用。同时，因其程序可以随意修改，操作便捷等特征，为矿井的稳定开发及生产起到了有力保障。

参考文献

[1] 孙福群.自动变频调速胶带机在煤矿的应用[J].陕西煤炭，2011年02期.

[2] 曹剑，郭振涛，刘庆刚.浅谈BPJ-400/1140型变频器在煤矿胶带机的应用[J].山东煤炭科技，2010年03期.