變頻器在帶式輸送機上的控制應用

李 芬

（太原重工股份有限公司 技術中心 礦山所，山西 太原 030024）

0 引言

帶式輸送機是利用傳動滾筒和輸送帶之間的摩擦力而運行的連續(xù)的運輸設備。大多數(shù)皮帶輸送機采用液力耦合啟動，較少使用變頻器驅(qū)動，采用液力耦合的方式無法實現(xiàn)軟啟、軟停，對機械產(chǎn)生劇烈沖擊，同時還存在皮帶維護等問題，不利于創(chuàng)建節(jié)能型社會；變頻器控制帶式輸送機可以節(jié)約社會能源、增加企業(yè)經(jīng)濟效益，具有重大意義。隨著高壓變頻技術的不斷進步和完善，其應用范圍越來越廣泛。

1 變頻技術

高壓變頻調(diào)速技術是20世紀90年代迅速發(fā)展起來的一種新型的電力傳動調(diào)速技術，它應用了先進的電力電子技術、計算機控制技術、現(xiàn)代通信技術等綜合性領域的學科技術，其技術和性能超過其他任何一種調(diào)速方式。變頻調(diào)速的特點是：啟動能耗低、調(diào)速范圍寬、動態(tài)響應速度快、調(diào)速精度高、保護功能完善、易于實現(xiàn)自動化、運行安全可靠、維修方便、安裝場地條件比較靈活和應用范圍廣泛。

目前，主流的高壓變頻器產(chǎn)品有以下3種類型：電流源型變頻器、三電平型變頻器和單元串聯(lián)多電平型變頻器。電流源型變頻器主要用于超大功率場合；三電平型變頻器主要用于非標準電壓的電動機；單元串聯(lián)多電平型變頻器可使用于任何電壓的普通電動機。

2 變頻器對帶式輸送機的控制

2.1 帶式輸送機的電氣設備組成

帶式輸送機的電氣設備主要包括高壓開關柜、高壓變頻柜、輔助變壓器、PLC控制柜、綜合保護裝置、操作臺和電機等，如圖1所示。將6 000VAC電源引入高壓開關柜，分配到機構動力電源和輔助變壓器；控制系統(tǒng)采用PLC方式，為帶式輸送機提供I/O模塊接口；高壓變頻器對電機獨立控制。

2.2 帶式輸送機的變頻控制

變頻器對電機實現(xiàn)一拖一控制，變頻器之間控制采用通訊方式，具有抗干擾能力強、通訊速率快等特點。帶式輸送機的變頻控制如圖2所示。

圖1 帶式輸送機的電氣設備組成

圖2 帶式輸送機的變頻控制

帶式輸送機的結(jié)構決定了電機最多為2∶2∶2（即頭部4、尾部2驅(qū)動方式），這就要求我們必須解決同軸驅(qū)動的力矩分配問題和不同軸驅(qū)動的負荷平衡問題。電機同軸時，控制上采用主從方式，利用CAN總線由主機向從機發(fā)送轉(zhuǎn)矩信息，以達到主從控制的目的。因為同軸為剛性連接所以電機間驅(qū)動速度相同，力矩通過主從可保證電機間出力也相同，可見同軸驅(qū)動的實現(xiàn)方式采用主從控制方便可靠。

帶式輸送機的難點就在于不同軸的負荷分配。負荷平衡的手段有4種：①變頻器配置宏模塊軟件實現(xiàn)多機調(diào)節(jié)功能；②通過PLC的PID智能接口實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能；③變頻器主板設置多個正負反饋接口以滿足多路調(diào)節(jié)功能；④通過設置速度、力矩上下限來滿足變頻器的負荷平衡。4種方式各有特點，選擇何種方式，取決于帶式輸送機的結(jié)構、現(xiàn)場環(huán)境以及變頻器的軟件模式。

帶式輸送機系統(tǒng)控制復雜，采用多主多從控制，因此需要定制相應的通訊方案以滿足其要求：PLC控制柜與變頻器之間采用CAN總線進行通訊，其速率支持標準CAN協(xié)議速率，最大支持1MB/s，將整個系統(tǒng)的所有變頻器作為CAN通訊的節(jié)點，支持變頻器間的發(fā)送、接收等功能，由主控制柜向其余每個節(jié)點發(fā)送系統(tǒng)設置參數(shù)、各種控制命令和轉(zhuǎn)速信息等，各變頻器在主控制柜的控制請求下，回復變頻器當前工作狀態(tài)及轉(zhuǎn)速、功率和電流等參數(shù)。

通訊光纖采用硬件雙備份架構，兩條光纖分開布線，當其中任意一根光纖斷裂或者發(fā)生其他故障時，自動切換到另一根光纖，切換時間小于2ms。

變頻器與帶式輸送機的綜合保護裝置對接，可以實現(xiàn)打滑、跑偏、斷裂、堵塞和急停等保護。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，變頻器將發(fā)出報警信號。所有故障情況及故障位置均在人機界面上顯示出來，便于用戶根據(jù)故障情況采取相應措施。

2.3 帶式輸送機的工作過程

運用變頻器的軟啟動功能，將電機的軟啟動和皮帶機的軟啟動合二為一，通過電機的慢速啟動，帶動皮帶機緩慢啟動。由于帶式輸送機屬于大慣量重載啟動，因此在啟動過程中要采用S曲線加速，以保證啟動過程中皮帶的受力均勻。

帶式輸送機正常運行時，需要頭尾電機之間進行負荷分配；變頻器主機間通過下垂控制方式保證頭尾電機輸出負荷平衡，同時主機與對應從機間進行主從控制。這樣就可以保證整條皮帶平穩(wěn)運行，將皮帶張力穩(wěn)定在額定張力范圍。

停車過程中，以相同的速度及減速時間以S曲線進行減速，保證不會產(chǎn)生過大的速度差異，影響皮帶機停機。當電機停止運轉(zhuǎn)后，皮帶會因重力原因松動至自然狀態(tài)。

3 變頻控制優(yōu)勢

變頻調(diào)速作為近20年來興起的一門新技術，因其具有調(diào)速平穩(wěn)、瞬態(tài)穩(wěn)定性高、節(jié)能等特性，越來越受到人們的重視。采用變頻器對帶式輸送機控制，不僅有利于提高帶式輸送機系統(tǒng)的運行效率和運行穩(wěn)定性，還可給企業(yè)帶來巨大的社會及經(jīng)濟效益。與傳統(tǒng)液力耦合器控制相比，其優(yōu)勢如下：①真正實現(xiàn)了帶式輸送機系統(tǒng)的軟啟動；②實現(xiàn)了帶式輸送機多電機不同軸驅(qū)動的負荷平衡問題；③可以根據(jù)用戶中控室的給定速度調(diào)整系統(tǒng)輸出，方便皮帶機操作；④降低設備的維護量；⑤方便輸送帶檢修；⑥有效減少人力資源；⑦節(jié)約能源。因此，隨著社會的發(fā)展，在帶式輸送機領域，變頻器將最終取代液力耦合器的主導地位。

［1］中國電器工業(yè)協(xié)會變頻器分會.高壓變頻器應用手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.