一、引言
隨著自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，四象限變頻器廣泛應(yīng)用于起重、油田、煤礦等領(lǐng)域，為此公司為了滿足煤礦特有的1140V電壓等級而開發(fā)研制了1140V四象限防爆矢量變頻器。四象限變頻器在煤礦主要用于下行皮帶運輸機、提升機以及絞車的調(diào)速，除了具有卓越的調(diào)速性能之外，四象限變頻器還有非常明顯的節(jié)能效果，是煤炭企業(yè)技術(shù)改造升級和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。
本文主要介紹英威騰CHA100-400G-12防爆型四象限變頻器在神華集團寧夏寧魯煤電公司任家莊煤礦下行皮帶運輸機上的成功應(yīng)用。
二、皮帶運輸系統(tǒng)簡介
1、帶運輸控制系統(tǒng)由防爆變頻器、液壓抱閘系統(tǒng)、集控系統(tǒng)、皮帶機、減速箱等組成，整個系統(tǒng)的組成如下圖所示：
現(xiàn)場下運皮帶帶長200m、帶寬1.2m，設(shè)計帶速4m/s
2、系統(tǒng)負(fù)載特點
皮帶機的工作原理是皮帶機通過驅(qū)動輪轂，靠摩擦牽引皮帶運動，皮帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。皮帶是彈性儲能 材料，在皮帶機運行和停止時都儲藏著大量的勢能，這就決定了皮帶機在啟動和停車時應(yīng)該采用軟啟動和軟停車的方式。
下行皮帶運輸機運行機構(gòu)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)變頻器在啟動和加速運行時，電機輸出轉(zhuǎn)矩作用于皮帶驅(qū)動輪轂上，電機處于電動狀態(tài)，當(dāng)皮帶上煤后，煤的重量沿皮帶傳輸方向上的分力也作用于皮帶驅(qū)動輪轂上，并使驅(qū)動力矩逐漸增大，當(dāng)此力矩大于電機的驅(qū)動力矩時，此時皮帶驅(qū)動輪轂拖動電機轉(zhuǎn)動，電機出于再生發(fā)電狀態(tài)，需要將再生電能通過反饋裝置反送給電網(wǎng)或者消耗在制動電阻上，以防止母線電壓過沖，變頻器過壓。
負(fù)載設(shè)備參數(shù)表
三、控制要求
1、皮帶在啟動和停車時要實現(xiàn)軟啟動、軟停車。
2、啟動轉(zhuǎn)矩要大，尤其是在重載情況下要平穩(wěn)啟動。
3、變頻器要與集控系統(tǒng)、液壓抱閘系統(tǒng)配合好，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和液壓抱閘及時的開抱閘。
四、系統(tǒng)的構(gòu)成及控制原理
1、系統(tǒng)構(gòu)成
(1)、變頻器選擇
由于下行皮帶在運行時有再生能量產(chǎn)生，電機功率較大，對系統(tǒng)的控制要求也較高，所以選擇高端的可以實現(xiàn)能量雙向流動的Invt-CHA100-400G-12四象限運行矢量變頻器，CHA100系列四象限變頻器既有以下技術(shù)特點：
a、輸入輸出特性
◆輸入電壓范圍：1140V±15%
◆輸入頻率范圍：47～63Hz
◆額定輸入效率：97%以上
◆額定輸入功率因數(shù)：95%以上
b、控制性能特性
◆控制方式：無PG矢量控制、有PG矢量控制、V/F控制
◆過載能力：150%額定電流 60s；180%額定電流 10s
◆啟動轉(zhuǎn)矩：無PG矢量控制：0.5Hz/150% (SVC)；有PG矢量控制：0Hz/180%
c、功能特性
◆優(yōu)異的主從控制邏輯，分別支持速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的主從方式
◆頻率設(shè)定方式：數(shù)字設(shè)定、模擬量設(shè)定、485串行通訊設(shè)定、多段速設(shè)定、模擬量跟蹤運行、Profibus通訊給定、高速脈沖HDI 給定等
◆運行方式：檢修運行、應(yīng)急運行、強迫減速運行
◆運行曲線：直線運行、S曲線運行
◆起動預(yù)轉(zhuǎn)矩補償
◆啟動、停機直流制動
◆自動電壓調(diào)整功能：當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時，能自動保持輸出電壓恒定
◆提供多達(dá)30種系統(tǒng)故障保護(hù)功能：過流、過壓、欠壓、過溫、缺相、過載等保護(hù)功能。
根據(jù)現(xiàn)場負(fù)載的特點及要求，并結(jié)合我公司變頻器的特點，我們配置如下的變頻器，其主要參數(shù)如下：
變頻器參數(shù)表
變頻器的系統(tǒng)原理圖
2、系統(tǒng)控制原理
(1)系統(tǒng)控制原理說明
變頻器的故障輸出、變頻器停車信號、抱閘開閘反饋、皮帶保護(hù)系統(tǒng)信號等為集控系統(tǒng)的輸入信號；
抱閘系統(tǒng)的開閘信號，變頻器整流運行信號、逆變運行信號為集控系統(tǒng)的輸出信號。
(2)系統(tǒng)控制接線圖如下：
系統(tǒng)控制邏輯圖
(4)系統(tǒng)四象限運行分析
電機正轉(zhuǎn)，電機的輸出轉(zhuǎn)矩通過減速機轉(zhuǎn)換后作用在皮帶機的驅(qū)動輪轂上，并與上層皮帶自重沿傳輸面重力分量作用在皮帶機驅(qū)動輪轂上的 力矩組合，電機工作在第一象限。當(dāng)皮帶上煤后，煤的重量沿皮帶傳輸方向的分力也作用在驅(qū)動輪轂上，并使驅(qū)動力矩逐漸增大，當(dāng)驅(qū)動力矩超過摩擦力力矩后，驅(qū)動輪轂的轉(zhuǎn)速將加速轉(zhuǎn)動，通過機械連接使得電機轉(zhuǎn)子也加速轉(zhuǎn)動，其速度超過電機的同步轉(zhuǎn)速；此時電機處于反轉(zhuǎn)再生狀態(tài)，電機工作在第二象限。當(dāng)電機反轉(zhuǎn)時，則工作在第二、四象限。
電機運行在第一、三象限時為電動態(tài)，其定子中的旋轉(zhuǎn)磁場、電機的輸出電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向同向，電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子的驅(qū)動力矩，此時電機從電網(wǎng)吸收的電能大部分有電磁轉(zhuǎn)矩作用到轉(zhuǎn)子上以機械能形式輸出。當(dāng)電機運行在第二、四象限時為再生態(tài)，由于轉(zhuǎn)子切割磁力線的方向發(fā)生了改變，故電機作用到轉(zhuǎn)子上的帶電磁轉(zhuǎn)矩方向也發(fā)生改變，成為轉(zhuǎn)子的制動阻力力矩；此時電機轉(zhuǎn)子被負(fù)載的合成力矩拖著以超過同步轉(zhuǎn)速的速度轉(zhuǎn)動，負(fù)載作用在皮帶機的驅(qū)動輪轂上的機械能有電機反饋回電網(wǎng)。變頻器驅(qū)動三相異步電機工作在四個象限的示意圖如下：
五、調(diào)試注意事項
1、整流器電壓環(huán)PI參數(shù)調(diào)節(jié)
當(dāng)變頻器在現(xiàn)場安裝后，由于現(xiàn)場電源側(cè)變壓器的電感等原因，變頻器的PWM整流可能會出現(xiàn)以下情況：
(1)整流器運行輸出過電壓(OV)，當(dāng)出現(xiàn)過電壓時適當(dāng)降低電壓環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)，增大比例系數(shù)KP可加快電壓的動態(tài)響應(yīng)，但KP過大容易產(chǎn)生振蕩。增大積分系數(shù)KI可加快電壓的動態(tài)響應(yīng)，但KI過大會導(dǎo)致電壓超調(diào)且容易產(chǎn)生振蕩。通常先調(diào)節(jié)比例系數(shù)KP，在保證系統(tǒng)不振蕩的前提下盡量增大KP值，然后調(diào)節(jié)積分系數(shù)KI，使系統(tǒng)既有快速的動態(tài)響應(yīng)又超調(diào)不大。
(2)整流器運行輸出電壓波動大，此時適當(dāng)降低電壓環(huán)動態(tài)比例系數(shù)和動態(tài)積分系數(shù)。
(3)整流器運行過電流（OC），此時可適當(dāng)調(diào)低電流環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)。通過對電流環(huán)的調(diào)節(jié)改變有功電流分量和無功電流分量的動態(tài)響應(yīng)。增大比例系數(shù)KP可加快電流環(huán)的動態(tài)響應(yīng)，但KP過大容易產(chǎn)生振蕩。增大積分系數(shù)KI可加快電流的動態(tài)相應(yīng)，但KI過大電流超調(diào)且容易產(chǎn)生振蕩。通常先調(diào)節(jié)比例系數(shù)KP，在保證電流不振蕩的前提下盡量增大KP值，然后調(diào)節(jié)積分系數(shù)KI，使系統(tǒng)既有快速的動態(tài)響應(yīng)又超調(diào)不大。
2、抱閘與松閘的控制，抱閘系統(tǒng)的開閘信號由集控系統(tǒng)給出，開閘后反饋信號給集控系統(tǒng)，變頻器起車；停車時集控系統(tǒng)給出停車信號變頻器減速，當(dāng)變頻器到0Hz是繼電器輸出信號，抱閘系統(tǒng)抱閘。
3、整流與逆變的起、停車順序，啟動時集控系統(tǒng)先給整流器起車信號，整流起車后延時5s給出逆變起車信號，逆變起車；停車時，逆變減速到0Hz，運行繼電器輸出信號停止后整流停車。
六、變頻器參數(shù)設(shè)定
七、結(jié)束語
經(jīng)過變頻技術(shù)改造后皮帶機系統(tǒng)運行良好，并有以下優(yōu)點：
1、優(yōu)越的軟啟動、軟停車特性。防爆變頻器的啟動、停止時間是任意可調(diào)的（1-60min），同時為了平穩(wěn)起動，還可匹配其具備的S型加減速時間，這樣可將皮帶機起停時產(chǎn)生的沖擊減小至最小，這是其他驅(qū)動器難以達(dá)到的。
2、驗帶功能。煤礦的生產(chǎn)運輸系統(tǒng)多以皮帶機為主，運輸系統(tǒng)檢修維護(hù)，低速驗帶功能是皮帶機檢修的主要要求，變頻調(diào)速系統(tǒng)為無極調(diào)速的交流傳動系統(tǒng)，在空載驗帶狀態(tài)下，變頻器可調(diào)整電機工作5%-100%額定帶速范圍內(nèi)任意帶速。
3、穩(wěn)的重載起動。皮帶機在運煤過程中任意一刻都可能立即停車再重新起動，必須考慮“重載起動”能力。由于變頻器采用無速度傳感器矢量控制方式，低頻運轉(zhuǎn)最大可輸出1.5倍額定轉(zhuǎn)矩，因此最適于“重載起動”。
4、動調(diào)速、節(jié)電效果明顯。對應(yīng)于煤礦的特殊生產(chǎn)條件，有時，煤的產(chǎn)量是極不均勻的，當(dāng)然皮帶機系統(tǒng)的運煤量也是不均勻的，在負(fù)載輕或無負(fù)載時，皮帶機系統(tǒng)的高速運行對機械傳動系統(tǒng)的磨損浪費較為嚴(yán)重，同時電能消耗比低速運行時大的多，但因生產(chǎn)的需要皮帶機系統(tǒng)又不能隨時停車，采用單獨的控制系統(tǒng)對前級運輸系統(tǒng)的載荷、本機運輸系統(tǒng)的載荷進(jìn)行分別測量，這樣可控制變頻器降速或提前升速。對于載荷不均的皮帶機系統(tǒng)，可大大節(jié)約電能。
5、低膠帶張力。由于采用防爆變頻器所產(chǎn)生的良好起動特性，至少可降低起動張力30%，如在初期設(shè)計選擇膠帶強度時可降低一個標(biāo)號。在實際應(yīng)用過程中，由于降低了起動沖擊，皮帶機機械系統(tǒng)的設(shè)備損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒的壽命成幾倍的延長。
事實證明英威騰中壓四象限變頻器有著無法比擬的優(yōu)越的產(chǎn)品性能和領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢，在煤炭行業(yè)的節(jié)能改造應(yīng)用中能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益和良好的社會效益，對于創(chuàng)建節(jié)能環(huán)保型的社會發(fā)揮著重要的作用。
