變頻器在下運(yùn)帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用

王棟

[摘 ? ?要]簡(jiǎn)述了變頻器在下運(yùn)帶式輸送機(jī)的應(yīng)用，并根據(jù)下運(yùn)帶式輸送機(jī)的工況需求及再生能量的處理方式，引出了變頻器在下運(yùn)帶式輸送機(jī)中的三種應(yīng)用方案，對(duì)三種應(yīng)用方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并就三種方案的適用范圍、性能、成本、節(jié)能等方面進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例表明，變頻器在下運(yùn)帶式輸送機(jī)的應(yīng)用中能提供下運(yùn)帶式輸送機(jī)所需的的驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力，保證皮帶穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

[關(guān)鍵詞]下運(yùn)帶式輸送機(jī);變頻器;盤式制動(dòng)

[中圖分類號(hào)]TD634.1 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）05–0–03

Application of Frequency Converter in Downward Belt Conveyor

Wang Dong

[Abstract]This paper briefly describes the application of frequency converter in the lower belt conveyor， and according to the working condition requirements of the lower belt conveyor and the processing method of regenerative energy， three types of frequency converters in the lower belt conveyor are introduced. Application scheme， the three application schemes are introduced in detail， and the application scope， performance， cost， energy saving and other aspects of the three schemes are compared. Finally， combined with practical application cases， it is shown that the inverter can provide the driving force and braking force required by the lower belt conveyor in the application of the lower belt conveyor， and ensure the stable and reliable operation of the belt.

[Keywords]down-carrying belt conveyor; frequency converter; disc brake

帶式輸送機(jī)已成為礦山礦井、港口碼頭、地鐵隧道、引水隧道等生產(chǎn)中一種重要的運(yùn)輸工具，其最大的特點(diǎn)是能夠使生產(chǎn)系統(tǒng)更加緊湊、集中和合理。它正朝著長距離、大運(yùn)量、大傾角方向發(fā)展。下運(yùn)帶式輸送機(jī)是一種傾斜向下運(yùn)輸?shù)膸捷斔蜋C(jī)。在下運(yùn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中，需要提供有效的制動(dòng)裝置，能夠使下運(yùn)輸送機(jī)不出現(xiàn)加速現(xiàn)象，解決此問題的辦法有增加阻尼滾筒、阻尼托輥、轉(zhuǎn)速限制器等，此類方法會(huì)造成設(shè)備磨損、能量損耗、不可有效控制等缺點(diǎn)，現(xiàn)在越來越多地采用變頻器為帶式輸送機(jī)提供平穩(wěn)的驅(qū)動(dòng)力及制動(dòng)力，變頻器在調(diào)速范圍、調(diào)速精度、控制靈活、工作效率、使用方便等方面都有很大的優(yōu)點(diǎn)。

1 變頻器在下運(yùn)帶式輸送機(jī)的應(yīng)用簡(jiǎn)介

變頻器可分為兩象限變頻和四象限變頻器。兩象限變頻器大都采用二極管作為整流橋，其只能工作在電動(dòng)狀態(tài);四象限變頻器采用IGBT作為整流橋，其可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

在變頻器驅(qū)動(dòng)的下運(yùn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中，皮帶上物料重力作用產(chǎn)生的下滑力大于輸送機(jī)的各項(xiàng)阻力之和時(shí)，會(huì)帶動(dòng)電機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)直至超過電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電工況運(yùn)行，并輸出制動(dòng)力矩，最終達(dá)到新的平衡點(diǎn)，而此時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的再生電能，如果這部分再生電能不及時(shí)消耗，就會(huì)導(dǎo)致直流母線過壓，變頻器會(huì)故障報(bào)警，甚至?xí)p害變頻器。在變頻器應(yīng)用中，對(duì)再生能量最常用的處理方式如下。

（1）通過并聯(lián)“制動(dòng)電阻”，以熱能的形式消耗，其為能耗制動(dòng)。

（2）反饋的能量回饋到電網(wǎng)或再生利用，以作功的形式消耗，其為再生制動(dòng)。

下運(yùn)帶式輸送機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置在帶式輸送機(jī)的上游位置，保證皮帶驅(qū)動(dòng)的張緊度，防止驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，并且為了保證設(shè)備安全運(yùn)行，需配置機(jī)械式的輔助制動(dòng)裝置。

2 變頻器在下運(yùn)帶式輸送機(jī)應(yīng)用方案

根據(jù)下運(yùn)不同的工況下，通過變頻器的靈活搭配，提出變頻器在下運(yùn)帶式輸送機(jī)中的三種應(yīng)用方案。

2.1 方案1

方案1為二象限變頻器+制動(dòng)單元+制動(dòng)電阻。

該方案制動(dòng)單元為直流斬波器，可以在變頻器內(nèi)置和外置，對(duì)于AC400 V、50 Hz供電的變頻器，其直流母線一般為DC570 V，斬波電壓一般DC630 ～760 V可調(diào)。制動(dòng)單元是一種間歇性工作的電力電子設(shè)備，為了保證其正常工作，必須合理選擇制動(dòng)單元，其根據(jù)制動(dòng)頻度ED及變頻器功率進(jìn)行選型。制動(dòng)電阻及功率選型可根據(jù)制動(dòng)單元選型手冊(cè)中的匹配電阻進(jìn)行選型。

方案1的再生電能通過電阻發(fā)熱的方式消耗掉，若長時(shí)間制動(dòng)，或制動(dòng)功率較大時(shí)，需要配置數(shù)量較多的電阻，且電阻長時(shí)間處于能耗制動(dòng)狀態(tài)，會(huì)造成發(fā)熱嚴(yán)重，需要對(duì)電阻進(jìn)行嚴(yán)格的散熱處理，此時(shí)方案1的成本較高，整體的配置較為繁重，并造成大量能量的浪費(fèi)，故方案1主要應(yīng)用場(chǎng)合為小坡度低運(yùn)量的下運(yùn)輸送帶，其在正常負(fù)載時(shí)變頻器處于電動(dòng)狀態(tài)，偶爾會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間過載時(shí)，變頻器才會(huì)處于發(fā)電狀態(tài)的工況。

2.2 方案2

方案2為二象限變頻器共直流母線，其中有制動(dòng)工況的變頻器，有驅(qū)動(dòng)工況的變頻器，制動(dòng)工況的變頻器的能量由驅(qū)動(dòng)工況的變頻器消耗。

方案2為多個(gè)單體的二象限變頻器進(jìn)行共直流母線處理，其保證了多臺(tái)變頻器的相對(duì)獨(dú)立性;也可采用共直流母線的方式，整流裝置與逆變裝置分開，一臺(tái)或多臺(tái)較大整流裝置共直流母線，且每臺(tái)逆變器都必須另外作隔離保護(hù)裝置。上述方式變頻器，須由一個(gè)變壓器供電，且盡量安裝在一起，避免遠(yuǎn)距離配線，且其容量可以不必相同，反饋的能量由各個(gè)負(fù)載單元互相利用，不足的能量由電網(wǎng)提供。

二象限變頻器共直流母線的再生電能通過內(nèi)部再生利用的方式消耗掉，電動(dòng)工況的變頻器與發(fā)電工況的變頻器必須同時(shí)工作。方案2主要應(yīng)用場(chǎng)合為下運(yùn)輸送帶與其他變頻負(fù)載共存的工況下使用，其他負(fù)載變頻器處于電動(dòng)狀態(tài)，下運(yùn)帶式輸送機(jī)變頻器處于發(fā)電狀態(tài)，且其他負(fù)載變頻器的輸出功率不小于下運(yùn)帶式輸送機(jī)的發(fā)電功率，存在一定的局限性，但這種應(yīng)用方式節(jié)電率最高，成本最低。

2.3 方案3

方案3位有源前端AFE+功率單元。

AFE單元是共直流母線產(chǎn)品中的可回饋功率轉(zhuǎn)換器的前端，需要有外部L（CL）濾波器和充電電路，且其各種保護(hù)功能齊全，安全可靠。AFE單元可單一變頻器、公共直流母線、有功前端單元并聯(lián)多種組合方式，在有源前端AFE單元并聯(lián)使用時(shí)需要設(shè)置下垂drooping參數(shù)=5%。設(shè)置PWM同步參數(shù)=Enable（每臺(tái)AFE都設(shè)置）。其可實(shí)現(xiàn)AFE單元的擴(kuò)容以及同步性。

有源前端AFE+逆變功率單元可實(shí)現(xiàn)可控整流及能量回饋，直流母線電壓可調(diào)，功率因數(shù)可調(diào)，通?？蛇_(dá)到99%，通常配置LCL濾波單元，可有效降低諧波，直流母線電壓波動(dòng)帶來的影響基本可忽略，直流母線電壓恒定，變頻器控制的性能及可靠性較高。

有源前端AFE和功率單元的選型根據(jù)制動(dòng)功率和驅(qū)動(dòng)功率兩者之間的較大值進(jìn)行選擇。有源前端AFE+逆變功率單元的再生電能通過回饋電網(wǎng)的方式消耗掉，適用于各種工況下的下運(yùn)帶式輸送機(jī)，其對(duì)諧波要求較高，節(jié)能、控制性能及可靠性高，但成本相對(duì)較高。

2.4 方案對(duì)比

通過對(duì)以上三種方案的詳細(xì)介紹，對(duì)三種方案的適用工況，優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，見表1。

在實(shí)際工況下，可以綜合考慮，選擇最優(yōu)方案。在方案2中，若發(fā)電工況的電機(jī)短時(shí)間過載時(shí)，發(fā)電功率在短時(shí)間大于電動(dòng)功率時(shí)，可以結(jié)合方案1，在直流母線上增加制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻，將方案1與方案2結(jié)合使用，使整套系統(tǒng)從性能、成本、節(jié)能方面達(dá)到最優(yōu)配置。

3 案例

如圖1所示，在某項(xiàng)目中使用越野皮帶機(jī)，該越野皮帶機(jī)為配合隧道掘進(jìn)機(jī)出渣，其出渣量由閘門控制，基本在保持在300 t/h以下，短時(shí)間內(nèi)會(huì)達(dá)到600 t/h。

下面對(duì)帶式輸送機(jī)的制動(dòng)功率或驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行計(jì)算。

（1）基本參數(shù)

水平機(jī)長：L=606 m;

提升高度：H=-37.9 m;

最大運(yùn)量：Q=600 t/h;

皮帶帶速：v=0-3.15 m/s;

托輥直徑：φ108 mm

上托輥間距：直線段1.5 m

下托輥間距：直線段3 m

承載部分：qR0=8.14 kg/m;

回程部分：qRU=4.17 kg/m;

輸送帶質(zhì)量：qB=20.5 kg/m;

每米輸送物料的質(zhì)量：qG=52.9 kg/m;

輸送能力：。

（2）主要特種阻力FS1=Fε+Fgl=

式中，Cε為槽形系數(shù);μO為摩擦系數(shù);Lε為裝前傾托輥的輸送機(jī)長度;ε為前傾角度;μ2為物料與導(dǎo)料欄板摩擦系數(shù);b1為導(dǎo)料欄板間寬度;l為導(dǎo)料欄板長度;δ為皮帶角度。

（3）附加特種阻力

FS2=4Fr=4×A×P×μ3

式中，A為接觸面積;p為壓力;μ3為摩擦系數(shù)。

（4）傾斜阻力FSt=qGHg

（5）主要阻力FH=

fLg[qR0+qRU+（2qB+qG）cosδ]

由此可得：

圓周力：FU=CFH+FSt+FS1+FS2

傳動(dòng)滾筒軸功率：PA=FUv/1 000

驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需功率：

式中，備用系數(shù)Kd=1.2;η1為聯(lián)軸器效率，0.98;η2為減速器傳動(dòng)效率，0.96;η′為電壓降系數(shù)，0.95。

該越野皮帶機(jī)屬于小坡度低運(yùn)量的下運(yùn)輸送帶，且其附近無其他負(fù)載，故二象限變頻器共直流母線方案在此不適用，綜合考慮成本及實(shí)際工況需要，最后選擇二象限變頻器+制動(dòng)單元+制動(dòng)電阻方案。

根據(jù)計(jì)算，該越野皮帶機(jī)采用頭部驅(qū)動(dòng)的形式，電機(jī)功率為200 kW，變頻器選用Vacon二象限變頻器NXP04605，制動(dòng)電阻選用貝殼BKRX20-5KW45RJJ/5KW/4.5Ω/10個(gè)，共50 kW，制動(dòng)單元選用貝殼BKBU4400N/1只/動(dòng)作電壓670 V。

通過監(jiān)視變頻器的直流母線電壓，其波形如圖2所示。

在越野皮帶機(jī)帶載量較大時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，變頻器直流母線上升，當(dāng)直流母線電壓上升至670 V時(shí)，通過制動(dòng)電阻能耗制動(dòng)，制動(dòng)單元的運(yùn)行指示燈常亮;在越野皮帶機(jī)帶載量適中或較小時(shí)，電機(jī)處于電動(dòng)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，變頻器直流母線恒定在570 V，此時(shí)制動(dòng)單元的運(yùn)行指示燈不亮。且在越野皮帶機(jī)運(yùn)行期間，制動(dòng)電阻溫度均在正常范圍內(nèi)，皮帶速度運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)超速、飛車等情況。通過實(shí)踐驗(yàn)證，采用變頻器+制動(dòng)單元+制動(dòng)電阻方案很好地解決了該越野皮帶機(jī)的下運(yùn)能耗制動(dòng)及驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的需求。

4 結(jié)束語

提出了下運(yùn)帶式輸送機(jī)的三種解決方案，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)分析，在使用范圍、性能、成本及節(jié)能方面對(duì)其進(jìn)行了歸納總結(jié)。最后根據(jù)案例的實(shí)際工況情況進(jìn)行了方案的選擇，通過計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了元器件的選型，并通過實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。變頻器在下運(yùn)帶式輸送機(jī)的應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)的增加阻尼等方案，其操作更靈活方便，可控性好，運(yùn)行可靠，減少設(shè)備磨損，節(jié)能，具有很好的應(yīng)用前景。

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