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高壓變頻
皮帶輸送機(jī)
多電機(jī)驅(qū)動(dòng)
負(fù)載均衡
摘要：本文簡單介紹了東芝三菱 TMEIC 公司生產(chǎn)的 TMdrive-MVGC 大功率高壓變頻器在 長距離皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)上的應(yīng)用，也簡要介紹了該變頻器的特點(diǎn)，以及實(shí)際在帶式輸送機(jī)的 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，負(fù)載均衡控制，及低速時(shí)重載啟動(dòng)的特點(diǎn)及實(shí)例。
1 引言
江西銅業(yè)股份有限公司德興銅礦為擴(kuò)大采選規(guī)模在銅廠的廢石排棄系統(tǒng)采用的破碎-輸送機(jī)，采用兩部帶式輸送機(jī)。一部為移動(dòng)式帶式輸送機(jī)，另一部為固定式帶式輸送機(jī)。廢石破碎后，由板式給料機(jī)輸送給固定式皮帶機(jī)。再輸送給移動(dòng)式皮帶機(jī)。由移動(dòng)式皮帶機(jī)上的卸料小車至上排機(jī)排棄。礦區(qū)廢石排棄系統(tǒng)的排放能力為2000萬噸/年。每小時(shí)排棄能力為4500T/H 。
固定式帶式輸送機(jī)采用多機(jī)驅(qū)動(dòng)，共 4 臺(tái)電機(jī)，均采用東芝三菱 TMEIC 的高壓變頻器，解決皮帶機(jī)帶料時(shí)的重載啟動(dòng)和負(fù)載均衡問題。
2 設(shè)備簡述
2.1 皮帶輸送機(jī)的設(shè)備簡述：
2.2 變頻電機(jī)參數(shù)：
額定電壓：6KV
額定電流：182A
額定功率：1600KW
數(shù)量：4 臺(tái)
2.3 變頻器設(shè)備簡述：
變頻器品牌和型號(hào)：東芝三菱-TMdrive-MVGC 高壓變頻器，
額定輸入電壓：6KV，
額定輸出電壓：0-6KV
額定電流：263A，
額定容量：2720KVA，
過載能力：150%-1 分鐘，間隔 10 分鐘。
2.4 帶式輸送機(jī)的電機(jī)分布圖：
東芝三菱 TMEIC 變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：
3.1 由輸入變壓器，變頻單元及控制系統(tǒng)三部分所組成。主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用多電平串聯(lián)技術(shù)，每相采用5個(gè)單元串聯(lián)，三相共15個(gè)單元。
3.2 變壓器采用H級(jí)絕緣的移相整流變壓器，可靠性極高。
3.3 變壓器的副邊有15個(gè)低壓繞組，這15個(gè)繞組分別給三相的15個(gè)單元供電。
3.4 變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理如下圖所示：
3.5 變頻單元的結(jié)構(gòu)完全一致，可以互換。變頻單元實(shí)際上是一臺(tái)三相輸入、單相輸出 690V
的低壓變頻器，開關(guān)器件采用三菱公司生產(chǎn) A 級(jí) IGBT，耐溫等級(jí) 150℃，單元的過熱保護(hù)為 100℃。耐高溫的能力較強(qiáng)，不易過熱保護(hù)。采用長壽命的電容，并特別注意電容的冷卻散熱，使電容的壽命延長。帶有預(yù)充電電路，減少了變壓器上高壓電時(shí)的激磁涌流，降低了通過整流二極管對(duì)電容器的瞬間充電電流，減少對(duì)系統(tǒng)和電網(wǎng)的電流沖擊，也減少了對(duì)變壓器的沖擊。延長單元內(nèi)部整流二極管及電容的使用壽命。
3.6 控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)的無速度傳感器矢量控制，將電機(jī)電流分為勵(lì)磁電流 ID，和轉(zhuǎn)矩電流 IQ，用電流環(huán)對(duì)勵(lì)磁電流 ID 和轉(zhuǎn)矩電流 IQ 分別進(jìn)行閉環(huán)控制，保證勵(lì)磁電流恒定，磁通穩(wěn)定。轉(zhuǎn)矩電流可控，因而可以直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)為毫秒級(jí)，響應(yīng)速度快。在無傳感器的情況下，自動(dòng)計(jì)算和檢測(cè)電機(jī)速度反饋，用速度環(huán)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速控制精度高。這種雙閉環(huán)的矢量控制，特別適合需要低速大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的恒轉(zhuǎn)矩負(fù) 載。比如皮帶機(jī)重載啟動(dòng)，橡塑行業(yè)的擠壓機(jī)，攪拌機(jī)，密煉機(jī)等。還可以進(jìn)行多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)負(fù)載均衡控制。
4 東芝三菱 TMEIC 高壓變頻器皮帶多機(jī)控制東芝三菱的高壓變頻器，具有皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)用變頻器的多機(jī)控制，及負(fù)載均衡功能和重載啟動(dòng)功能。
4.1 當(dāng)皮帶機(jī)采用多臺(tái)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)，采用變頻器自帶的負(fù)載平衡控制器可以保證主機(jī)和 從機(jī)的負(fù)載均衡。
下圖為 4 機(jī)驅(qū)動(dòng)的多機(jī)控制皮帶機(jī)系統(tǒng)，多機(jī)負(fù)載的不均衡度可以控制在 1%左右。
德興銅礦帶料運(yùn)行后，負(fù)載加重，但是轉(zhuǎn)矩電流還是非常均衡。皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)輸送量為
4500T/H，實(shí)際為 1964T/H 時(shí)的運(yùn)行圖如下。速度給定 90%，運(yùn)行期間，轉(zhuǎn)矩電流 35-36左右。
2#電機(jī)和其他電機(jī)轉(zhuǎn)速有較大的偏差。從 1286rpm 到 1301rpm，速度偏差達(dá)到15rpm，速度偏差達(dá)到 1%。但是負(fù)載轉(zhuǎn)矩偏差很小，轉(zhuǎn)矩偏差為34.7%-35.5%，非常接近，偏差小于1%。因此這種控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)就是，各個(gè)電機(jī)的速度可以不一致，可以有偏差。而各個(gè)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩則比較接近，也是動(dòng)態(tài)均衡的，但負(fù)載轉(zhuǎn)矩的偏差很小。
當(dāng)皮帶機(jī)因故帶料停止后，再啟動(dòng)時(shí)屬于重載啟動(dòng)。要求變頻器能夠?qū)ζC(jī)進(jìn)行帶料重載啟動(dòng)。皮帶機(jī)在帶料進(jìn)行重載啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，即要克服皮帶下面每個(gè)支撐滾輪和滾輪軸之間的靜態(tài)摩擦力造成的阻力矩，也要克服物料在皮帶上向下的拉力造成的阻力矩。物料在皮帶上向下的拉力造成的阻力矩是常數(shù)。但靜態(tài)摩擦力要比動(dòng)態(tài)摩擦力大的多，這就使得為克服靜態(tài)摩擦力的初始啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，比正常運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)摩擦力造成的阻力矩大的 多。因此變頻器必須具備低速大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的功能。
實(shí)際在啟動(dòng)的過程中，由于皮帶的伸縮性，每個(gè)滾輪是先后按順序逐個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的，不會(huì)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。即使?jié)L輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來，由于速度很低，滾輪與滾輪軸之間的潤滑不好，會(huì)非常澀，其 動(dòng)態(tài)摩擦力是不穩(wěn)定的，因此低速啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩有一定的波動(dòng)。而且在整個(gè)啟動(dòng)過程中，需 要一定的時(shí)間，才能使所有滾輪都轉(zhuǎn)動(dòng)起來，轉(zhuǎn)矩才開始下降。也只有達(dá)到一定的速度，潤滑改善，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)才會(huì)減少。因此這種大的低速啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是需要維持一定的時(shí)間的，一 般至少幾秒鐘。和皮帶的長度及啟動(dòng)時(shí)的最低轉(zhuǎn)速，以及皮帶的伸縮性等有關(guān)。而且啟動(dòng)時(shí) 由于速度低，轉(zhuǎn)矩和速度的波動(dòng)會(huì)比較大。
變頻器的過載能力為 a150%-1 分鐘，間隔 10 分鐘。而且可以在電流提高比較少的條件 下，通過強(qiáng)勵(lì)磁的方式，提供比額定轉(zhuǎn)矩還要大的多的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此低速時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩特 別大，可以達(dá)到 150%-200%。這種動(dòng)態(tài)的大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，時(shí)間持續(xù)很短，當(dāng)所有的支撐滾輪 都轉(zhuǎn)起來以后，也就沒有靜態(tài)摩擦力了，只有動(dòng)態(tài)摩擦力，因此皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，比啟動(dòng) 時(shí)要小，只需要克服物料的重力通過皮帶的拉力產(chǎn)生的阻力矩，也就是正常運(yùn)行時(shí)的阻力矩。 變頻器在實(shí)際運(yùn)量已經(jīng)達(dá)到 4400T/H（接近額定運(yùn)量 4500T/H）時(shí)因故停止，然后再啟動(dòng)， 仍然可以帶料重載啟動(dòng)。
下圖為該皮帶機(jī)重載時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)運(yùn)量為4500T/H，實(shí)際已經(jīng)達(dá)到4400T/H， 接近設(shè)計(jì)的極限值，4臺(tái)電機(jī)負(fù)載電流均為138A，一點(diǎn)不差。轉(zhuǎn)矩電流達(dá)到 73.2%-73.5%，非常均衡，誤差 0.3%。但是轉(zhuǎn)速范圍為 1478-1488rpm。其中主機(jī) 4#電機(jī)的主驅(qū)動(dòng)輪更換了，直徑比其他輪的直徑略小一點(diǎn)，因此速度偏高，且誤差比較大。從機(jī)的轉(zhuǎn)速為1478rpm， 主機(jī)的轉(zhuǎn)速為1488rpm，而且偏差在 10rpm 左右，接近 0.67%，相當(dāng)于電機(jī)的額定滑差， 但是轉(zhuǎn)矩電流和電機(jī)電流都非常均衡。這就是負(fù)載均衡控制的功能在起作用。
由于變頻器是采用雙閉環(huán)的無速度傳感器矢量控制，而且這種速度的閉環(huán)控制是不需要速度傳感器的，變頻器通過輸出勵(lì)磁電流，自動(dòng)檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際速度，并利用速度反饋值進(jìn)行閉環(huán)控制。而且主機(jī)是速度閉環(huán)控制，這就要求該速度閉環(huán)的響應(yīng)要快，這樣速度反饋才能緊緊地跟隨速度給定，變頻器可以在穩(wěn)定工作的區(qū)域內(nèi)長期連續(xù)地穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)進(jìn)入失速區(qū)，也就不會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，這對(duì)于低速的大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是非常有好處的。變頻器啟動(dòng)后還可以低速驗(yàn)帶，然后在高速運(yùn)行。啟動(dòng)中可以采用 S 字型，使得皮帶所受的拉力變化均衡，皮帶機(jī)的啟動(dòng)變成了軟啟動(dòng)，不會(huì)突然將皮帶拉斷。
5、結(jié)論
東芝三菱 TMEIC 的高壓變頻器非常適合于皮帶多機(jī)驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合，其多機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)負(fù)載均 衡控制能力很強(qiáng)，也具有大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的能力，從國內(nèi)眾多多機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)的業(yè)績也證明了這點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)：
【1】東芝三菱 TMEIC 高壓變頻器調(diào)試報(bào)告
【2】東芝三菱 TMEIC 高壓變頻器用戶手冊(cè)
