長(zhǎng)距離大運(yùn)量膠帶機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方案特性分析

袁玉鵬

（唐山冶金礦山機(jī)械廠設(shè)計(jì)中心 河北 唐山 063027）

0 引言

傳統(tǒng)的膠帶輸送機(jī)大多采用工頻拖動(dòng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，膠帶機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用日趨廣泛，碼頭和采礦業(yè)有很多成熟的應(yīng)用案例，如連云港煤碼頭、山西金海洋煤礦皮帶、同忻煤礦皮帶等。據(jù)綜合分析運(yùn)輸設(shè)備采用變頻調(diào)速節(jié)能可達(dá)到20%～40%，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 膠帶輸送機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)控制的要求

由于大運(yùn)量、長(zhǎng)距離膠帶輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率大，需用多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，且多采用中、高壓供電，因此在對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方面有著許多更高的和特殊的要求，主要有以下幾點(diǎn)：

1）電機(jī)的啟動(dòng)電流要小，以減少對(duì)電網(wǎng)造成大的沖擊，避免造成輸送機(jī)重載啟動(dòng)困難和對(duì)傳動(dòng)設(shè)備的猛烈沖擊；同時(shí)減小對(duì)電網(wǎng)上其他設(shè)備正常工作的影響。

2）電機(jī)的啟動(dòng)力矩要大，特別是要保證重載啟動(dòng)時(shí)有足夠的力矩。

3）驅(qū)動(dòng)控制裝置長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性要高。

4）多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)功率平衡的精度要高。

5）保證多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)各電機(jī)速度同步的精度要高。

6）起、制動(dòng)過(guò)程要平穩(wěn)，以避免膠帶和滾筒之間的打滑現(xiàn)象。

7）驅(qū)動(dòng)控制方式有利于節(jié)能降耗。

8）使用方便，維護(hù)成本低，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效益。

膠帶機(jī)是通過(guò)驅(qū)動(dòng)滾筒，靠摩擦牽引皮帶運(yùn)動(dòng)，皮帶通過(guò)張力變形和摩擦帶動(dòng)物體在支撐托輥上運(yùn)動(dòng)。皮帶是彈性儲(chǔ)能材料，在膠帶機(jī)停止和運(yùn)動(dòng)時(shí)都儲(chǔ)存有大量勢(shì)能，這就決定了膠帶機(jī)在啟動(dòng)時(shí)應(yīng)該采取軟啟動(dòng)方式，以減小電流對(duì)設(shè)備的沖擊力。而傳統(tǒng)的工頻啟動(dòng)電流沖擊大，扭矩要求高，主要表現(xiàn)為橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)以及動(dòng)態(tài)張力波在膠帶中的傳播和疊加，造成輸送系統(tǒng)的不穩(wěn)定，具體表現(xiàn)為膠帶斷裂、機(jī)械損害、局部諧振跳帶、疊帶、撒料等；同時(shí)，由于電機(jī)無(wú)法采用軟啟軟停，在機(jī)械上產(chǎn)生劇烈沖擊，加速了機(jī)械的磨損，加大了皮帶的應(yīng)力，從而造成設(shè)備晃動(dòng)，滾筒、托輥壽命縮短，成本上升。與常規(guī)帶式輸送設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方式不同的是，變頻驅(qū)動(dòng)方式能精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度，且輸出效率能夠達(dá)到96%以上。顯然，從理論角度來(lái)說(shuō)變頻驅(qū)動(dòng)方式在長(zhǎng)距離大功率復(fù)雜工況條件下，無(wú)疑是帶式輸送設(shè)備較好的驅(qū)動(dòng)方式。

2 變頻調(diào)速原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源?，F(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式 （VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成的。

變頻調(diào)速就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。膠帶輸送機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)控制，解決在皮帶機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中軟起動(dòng)和大于額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍下的重載起動(dòng)。減少對(duì)皮帶和電網(wǎng)的啟動(dòng)沖擊；在輕載或空載運(yùn)行時(shí)自動(dòng)降低膠帶機(jī)的運(yùn)行速度，起到節(jié)電和對(duì)膠帶及托輥的機(jī)械磨損，并可配合膠帶張緊裝置完成膠帶機(jī)在停電狀態(tài)下放松皮帶，增加皮帶的使用壽命。速度調(diào)節(jié)范圍0～100%。實(shí)現(xiàn)低速驗(yàn)帶及檢修、高速運(yùn)行等功能。解決多臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)之間的功率平衡問(wèn)題。

3 我們現(xiàn)將變頻驅(qū)動(dòng)作進(jìn)一步特性分析

1）輸出效率

變頻驅(qū)動(dòng)效率好于液壓馬達(dá)及液力耦合器，功率因數(shù)高（96%以上）。

2）安裝方式

變頻裝置安裝方便，電機(jī)和負(fù)荷不動(dòng)，將其加入電源側(cè)即可，并且可以在中控室進(jìn)行集中控制，易安裝，易維護(hù)。

3）安全性

變頻裝置在出現(xiàn)問(wèn)題后，可以工頻旁路的方式運(yùn)行，保證生產(chǎn)延續(xù)。

4）運(yùn)行精度及穩(wěn)定性

變頻運(yùn)行精度高，可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，速度是由輸出頻率限定，當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速不變，且多驅(qū)電機(jī)同步給定簡(jiǎn)單，比如采取頭一尾四驅(qū)動(dòng)方式，變頻能通過(guò)精確同步控制，使電機(jī)兩兩同步，以更好使皮帶穩(wěn)定啟動(dòng)，并且能達(dá)到無(wú)極調(diào)速和無(wú)極中的有極調(diào)速，使得皮帶在運(yùn)行中，根據(jù)運(yùn)料多少控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)數(shù)和輸出扭矩，以達(dá)到更好的節(jié)能效果。

5）操作性

變頻調(diào)速操作簡(jiǎn)單，精確，快速，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。變頻器調(diào)速范圍為0～100%，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率（大于96%）。如果電機(jī)和負(fù)荷機(jī)械強(qiáng)度允許，電機(jī)也不過(guò)流的話，變頻器還可以使機(jī)械超速運(yùn)行。

6）啟動(dòng)特性

變頻器對(duì)電機(jī)及負(fù)荷機(jī)械實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，徹底解決了啟動(dòng)沖擊問(wèn)題，如果工藝需要，電機(jī)可以在短時(shí)間內(nèi)多次重復(fù)啟動(dòng)，低壓變頻器采用高科技12脈動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染，高壓變頻器采用電流源型方案，則更不會(huì)涉及到電網(wǎng)污染問(wèn)題。

7）智能監(jiān)控，實(shí)時(shí)響應(yīng)

變頻器支持工業(yè)通訊協(xié)議，通常預(yù)留通訊接口，能夠?qū)⒆冾l器及電機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)大量、高效地傳入PLC進(jìn)行閉環(huán)控制，如在距離不同的料場(chǎng)堆取料時(shí)能夠通過(guò)模型自動(dòng)運(yùn)算調(diào)節(jié)電機(jī)功率，提高配料的自動(dòng)化水平，減少工作人員，改善工作環(huán)境，甚至可以將數(shù)據(jù)直接傳送到管理層，從而實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)節(jié)電和堆場(chǎng)無(wú)人化管理。

8）節(jié)能

（1）啟/停車控制節(jié)能

a.通用電機(jī)功耗為：P=F勻V勻+Famaxt

P:電機(jī)功耗

F勻：勻速時(shí) 皮帶張力

V勻：電機(jī)轉(zhuǎn)速（50赫茲）

F：電機(jī)啟動(dòng)加速時(shí)皮帶張力

amax：電機(jī)啟動(dòng)最大加速度

t:加速時(shí)間

b.變頻控制電機(jī)功耗為：P=F勻V勻+Fa調(diào)t

其中a調(diào)為變頻可調(diào)加速度

當(dāng)a調(diào)下降→F下降→P下降

即P=F勻V勻+Fa調(diào)t

在節(jié)能的同時(shí)對(duì)電機(jī)、機(jī)械、皮帶沖擊力可減小約50%，延長(zhǎng)其使用壽命，減小維護(hù)成本。

（2）通過(guò)可選擇性投入電機(jī)運(yùn)行

根據(jù)要求只需局部運(yùn)料時(shí)，可根據(jù)需要選擇需運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)（如：四驅(qū)）?？刂圃砣鐖D1。

圖1

當(dāng)選擇1、2、3號(hào)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，若4號(hào)電機(jī)有能量回饋，會(huì)直接給1、2、3號(hào)電機(jī)供電。關(guān)于PLC控制，建議可采集1、2、3號(hào)電機(jī)電流，當(dāng)其電流大于電機(jī)額定電流80%時(shí)，自行投入4號(hào)電機(jī)運(yùn)行；當(dāng)其電流小于電機(jī)額定電流50%時(shí)，自動(dòng)切除4號(hào)電機(jī)運(yùn)行，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)4號(hào)電機(jī)的投入與切除。

9）性價(jià)比及維護(hù)費(fèi)用

變頻調(diào)速裝置初期投資較高，但其只占設(shè)備生命周期總費(fèi)用的6%左右。其直接和間接的效益相比，性價(jià)比依然很高。變頻調(diào)速維護(hù)費(fèi)用低，可靠性好，在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)基本無(wú)消耗品。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析我們可以看出，變頻驅(qū)動(dòng)是膠帶機(jī)綜合效益提高的有效途徑，一方面是節(jié)約能源，另一方面是大大減少了電動(dòng)機(jī)和設(shè)備的維修費(fèi)用，減少了停工維修時(shí)間，提高了運(yùn)量，很快就可以收回投資。膠帶輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)方式實(shí)際涉及的內(nèi)容較多，本文僅從幾個(gè)方面進(jìn)行了簡(jiǎn)單的探討，為實(shí)際的應(yīng)用提供一些參考。

［1］徐寄榮.DTⅡ型固定式帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)選用手冊(cè)[M].冶金工業(yè)出版社，1994，10.

［2］汪宗華.帶式輸送機(jī)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1989，11.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2002，1.

［4］天津電機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)[M].2版.機(jī)械工業(yè)出版社，2005，6.

［5］丁斗章.變頻調(diào)速技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005，10.