0 引言
某水泥廠石灰石輸送皮帶機一期兩條5000 t/d熟料生產(chǎn)線，其礦山分廠石灰石輸送設置了3條石灰石運輸長皮帶機。全線長5.046 km，總提升高度為-446 m，由3套膠帶機組成，相關技術(shù)參數(shù)見表1，系統(tǒng)全貌見圖1。本文對高壓變頻器在長距離大落差礦山皮帶輸送機驅(qū)動控制中的應用經(jīng)驗進行總結(jié)，主要以表1中的1號和2號膠帶機的驅(qū)動控制系統(tǒng)方式以及高壓變頻器的選擇為討論對象，僅供參考。
1 皮帶機啟動、停止及控制方式的選擇
皮帶機運輸能力大，工作阻力小，耗電量低，運距長，且維護簡單方便，在物料輸送中得到廣泛應用。皮帶機有水平運輸、向上運輸、向下運輸三大類，向下運輸存在“滾料”和“飛車”現(xiàn)象，安全隱患大。由于膠帶輸送機具有彈性，在啟動加速、停車減速及張力變化過程中呈現(xiàn)出橫向振動、縱向振動以及動態(tài)張力波的傳播和疊加，造成輸送系統(tǒng)的不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)膠帶斷裂、機械損壞、局部諧振跳帶、疊帶、撒料等。分析認為：驅(qū)動設備是膠帶輸送機的關鍵設備，直接影響到輸送機的整機性能。早先水泥廠礦山石灰石和碼頭熟料輸送膠帶機設備選型一般使用調(diào)速型液力偶合器或CST等機械和液壓方式的驅(qū)動設備，效率低、維護復雜，且非線性、啟動電流大、調(diào)速性能差。大的啟動加速度，容易導致膠帶持續(xù)波動，張力特性較差，無法對長距離輸送的皮帶實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化和為安全啟動提供有效的保證。
變頻調(diào)速驅(qū)動控制系統(tǒng)可應用于輸送機類恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)速驅(qū)動控制。在輕載及重載工況下,均能有效控制膠帶輸送機彈性負載的軟啟動/軟停車的動態(tài)過程，實現(xiàn)各驅(qū)動之間的功率平衡，并提供可調(diào)驗帶速度。由此降低直接啟動/快速停車過程對機械和電氣系統(tǒng)的沖擊，避免撒料與疊帶，有效抑制膠帶輸送機動態(tài)張力波造成的危害，延長膠帶機使用壽命，既節(jié)省設備投資，又保證安全運行。
特別是下運式皮帶輸送機，屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，當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)動設備上，電機處于電動狀態(tài)，當皮帶帶上物料后，物料重量沿皮帶傳輸方向上的分力作用于皮帶驅(qū)動裝置上，并使驅(qū)動力矩逐漸增大，當此力矩大于電機的驅(qū)動力矩時，此時皮帶驅(qū)動裝置拖動電機轉(zhuǎn)動，電機處于再生發(fā)電狀態(tài)，因此需要通過制動電阻消耗再生電能，或者通過反饋裝置將電能反送給電網(wǎng)，以防止母線電壓過沖和變頻器過壓。由于技術(shù)的限制，下運式皮帶輸送機只能配置制動裝置，其功能的完善、性能的好壞，直接影響著下運帶式輸送機可靠與運行安全。對于大傾角下運帶式輸送機的制動，為保證皮帶機正常開機、停車和緊急停車，避免發(fā)生事故，一般不直接采用機械抱閘制動，而是采用可控制動裝置。目前已應用的可控制動裝置主要有盤式制動器、液力制動器、液壓制動器和粘液可控制動器。在四象限運行變頻器應用之前，即使采用變頻器驅(qū)動，下運皮帶機電機處于再生發(fā)電狀態(tài)時，通常系統(tǒng)通過設置制動電阻來消耗其電能，讓電能白白地浪費在制動電阻上。這些制動方式需要配備泵、電阻等耗能設備，靠耗能來實現(xiàn)制動。四象限運行的變頻器，電機可以實現(xiàn)從電動到發(fā)電兩種狀態(tài)的自由切換，并將下運式皮帶機勢能通過電機和變頻器轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。
根據(jù)皮帶的基本參數(shù)，1號、2號、3號皮帶長、落差大、電機功率大，啟動、停止、運行及緊急故障停機控制復雜，難度較大，從驅(qū)動設備啟動控制性能、可靠性、投資、運行成本、電力輸電和配送及能量消耗等方面分析比較，具體見表2。
2 1號、2號膠帶機對變頻裝置性能的要求
(1)膠帶機屬于下運膠帶機，帶載運行時電機始終處于發(fā)電狀態(tài)，所以變頻器應始終處于回饋狀態(tài)。
(2)由于下運膠帶機的特殊性，所以要求變頻器始終處于帶電工作狀態(tài)，任何情況下都不允許其斷電(變頻器故障損壞已無輸出電壓、電流時除外)。
(3)1號、2號膠帶機選用6kV高壓變頻器，所以變頻器應具備高壓供配電規(guī)范要求。
(4)變頻器具備主從控制多驅(qū)功能，通過光纖、編碼器等反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)主從同步驅(qū)動。
(5)高壓電動機技術(shù)參數(shù)：
額定功率： 1×1 250 kW(1號膠帶機、2號膠帶機);
額定電壓： 6 kV;
額定電流： 140.7 A;
頻率： 50 Hz 。
(6)變頻器技術(shù)參數(shù)選擇：
額定輸出電壓：0～6 kV;
輸出頻率：0～50 Hz;
額定輸出功率：1 250 kW，恒轉(zhuǎn)矩皮帶機專用;
額定輸出電流：160 A ;
持續(xù)過載能力：110%;
短時過載能力：在變頻器額定電流160 A的基礎上具備150%變頻器額定輸出電流1 min、每隔10 min可重復一次的過載能力;
輸入整流橋：6.5 kV SCR可控硅;
逆變模塊：6.5 kV SGCT;
調(diào)速范圍：0～75 Hz(根據(jù)電機情況可設定);
調(diào)速精確度：<0.01%(6 Hz以上);
整流器件：6.5 kV SCR可控硅;
功率單元個數(shù)：18個整流SCR可控硅+18個逆變SGCT;
操作象限：標準四象限;
連續(xù)運行可承受的欠壓百分比：在±10%額定電壓波動范圍內(nèi)能滿載輸出，在70%～90%額定電壓范圍內(nèi)降額繼續(xù)運行;
不平衡度最大值：30%;
功率因數(shù)：0.96(額定負荷下);
額定負載下的總效率(包括變壓器在內(nèi))：≥96.5%(變頻器本體效率≥98%);
瞬間失電延時：在廠用電切換或短時失電主電源恢復后，變頻器在0.1～1 200 s(可設定)內(nèi)達到一定轉(zhuǎn)速(可設定)，而不需要手動復位或調(diào)整;
冷卻方式：強制風冷;
防護等級：IP21。
(7)移相整流變壓器技術(shù)參數(shù)要求：
型號：ZTS-1800 kVA/10/3×2.1 kV ;
額定容量：1 800 kVA;
原邊電壓：10 kV;
電壓分接：±5%;
副邊電壓：3×2.1 kV;
聯(lián)接組別：D，d0，d-20，d+20;
阻抗電壓：7%。
3 調(diào)試和試運行
3.1 調(diào)試和試運行的技術(shù)要求與注意事項
通過PLC的輸出模塊對變頻器發(fā)出啟動信號，變頻器在零轉(zhuǎn)速負扭矩達到最大后對PLC輸出此狀態(tài)信號，PLC發(fā)出開閘指令。盤閘打開后，對變頻器發(fā)出已開閘信號，通過變頻器輸出使膠帶機速度應可控從0～3.8 m/s (從0～50 Hz)開始平穩(wěn)啟動;通過變頻器使膠帶機的啟動加速度控制在a=0.025～0.1 m/s2之間，啟動時間大約在40～160 s(從0 ～50 Hz)。
正常停車時，通過PLC的輸出模塊對變頻器發(fā)出正常停車信號，通過變頻器使膠帶機的減速度控制在a=0.025～0.05 m/s2之間，停車時間為76～160 s(從50～0 Hz);通過變頻器輸出使膠帶機轉(zhuǎn)速
可控從3.8～0 m/s(50～0 Hz)平穩(wěn)停車。滿載時當帶速降到0.4 m/s(5 Hz)時變頻器對PLC輸出此
狀態(tài)信號，PLC發(fā)出盤閘關閉指令，盤閘制動時間S(5～10 s)具體根據(jù)現(xiàn)場盤閘制動時間確定;調(diào)整變頻器停車時間=S，空載時當帶速達到0 m/s(0 Hz)時變頻器以對PLC輸出此狀態(tài)信號，PLC發(fā)出盤閘關閉指令。
驗帶速度：0.4 m/s(5 HZ);
急速停車時，通過PLC的輸出模塊對變頻器發(fā)出急速停車信號。通過變頻器輸出使膠帶機減速度
控制在a=0.1～0.15 m/s2左右，制動時間為27～40 s(從50～0 Hz)左右，當帶速降到0.8 m/s(10 Hz)時變頻器對PLC輸出此狀態(tài)信號，PLC發(fā)出盤閘關閉指令。盤閘制動時間S(5～10 s)具體根據(jù)現(xiàn)場盤閘制動時間確定，調(diào)整變頻器停車時間=S(從10～0 Hz)。
當跑偏開關動作時變頻器要正常停車;當拉繩、打滑、防撕裂動作時，變頻器要急速停車。
變頻器故障時立即對PLC輸出此狀態(tài)信號，PLC立刻發(fā)出盤閘關閉指令。值得注意的是雙驅(qū)動裝置，變頻器應考慮到兩臺驅(qū)動轉(zhuǎn)速同步、轉(zhuǎn)矩平衡及兩臺變頻器之間的連鎖和互鎖等相關問題。
3.2 變頻器系統(tǒng)應配置的具體信號
(1)PLC系統(tǒng)配置如下模塊，與變頻器進行點對點接口，需要變頻器進行相應配置：DI模塊，變頻器輸出開關量點通過繼電器輸入到PLC;DO模塊，PLC通過繼電器輸出開關量點到變頻器;AI模塊，變頻器可輸出4路4～20 mA信號到PLC;AO模塊，變頻器可接收4路PLC發(fā)出的4～20 mA信號。
(2)速度設置分為三檔，以滿足不同工況下的運轉(zhuǎn)：驗帶速度，0.4 m/s，即5 Hz;中間速度，2.4 m/s，即30 Hz;滿速運行，3.8 m/s，即50 Hz。
(3)時間設置分為三種：正常啟動時加速時間為40～106 s;正常停止時減速時間為70～160 s;急速停車時減速時間為27～40 s。
(4)變頻器輸出開關量信號點：a.備妥;b.運行;c.故障;d.達速; e.零轉(zhuǎn)速負轉(zhuǎn)矩達最大信號;f.滿載停車時帶速降到0.4 m/s(5 Hz)信號;g.急速停車時帶速降到0.8 m/s(10 Hz)信號; h. 空載停車時帶速降到0 m/s(0 Hz)信號 。
(5)變頻器輸入的開關量信號點： a.啟動;b.停止;c.故障復位;d.急速停車;e.閘已打開;f.驗帶運行; g.中速運行;h.滿速運行;i.加速時間1 ;j.加速時間2; k.加速時間3 ;l.減速時間1;m.減速時間2;n.減速時間3。其中i、j、k、l、m、n項通過變頻器參數(shù)自行設定。
3.3 試運行分析
1號長皮帶設計驅(qū)動為1 250 kW電機，高差111 m，由于皮帶機較短，皮帶下行角度大，設計時未考慮帶編碼器，通過變頻器參數(shù)設置，采用開環(huán)標量控制。調(diào)試和試生產(chǎn)期間，變頻器對長皮帶啟動控制不穩(wěn)，容易造成皮帶蠕動、疊帶等現(xiàn)象。帶載啟動時，變頻器內(nèi)部的逆變功率器件損壞多次，每次損壞6塊SGCT功率器件。
2號長皮帶布置為U字形，設計驅(qū)動電機安裝編碼器，調(diào)試帶載啟動時皮帶有稍微蠕動，帶載停機時偶然有疊帶現(xiàn)象。通過適當調(diào)整控制程序和變頻器參數(shù)，對凹弧段加密支架，帶載啟動、帶載停機比較平穩(wěn)，變頻器一直未發(fā)生故障。經(jīng)過對比分析，認為其最主要原因是電機未安裝編碼器，變頻器在低速時默認電動狀態(tài);而實際上帶料啟動時，只要盤閘一松開，皮帶機就自動下行，實際此時變頻器應該拖住皮帶，而不應該是電動狀態(tài)。電機未安裝編碼器時，皮帶上的料一定先清空然后再啟動變頻器。采用閉環(huán)矢量控制比采用開環(huán)標量控制能更好地滿足低頻率長皮帶啟動要求。通過對電機安裝編碼器后，采用閉環(huán)矢量控制電機運轉(zhuǎn)，變頻器自動區(qū)分電動和發(fā)電狀態(tài)，帶載啟動過程平穩(wěn)，未出現(xiàn)皮帶蠕動或疊帶等現(xiàn)象。自此變頻器再也沒有發(fā)生功率器件損壞記錄。
變頻器母線過電壓，兩條皮帶變頻器運行中出現(xiàn)變頻器整流母線過電壓報警，連續(xù)多次過壓后造成變頻器停止運行，皮帶機跳停。針對該問題，調(diào)試專家通過示波器檢測認為，整流移相變壓器二次側(cè)移相角有偏差，通過調(diào)整低壓繞阻接線，保證低壓各繞阻20°移相角。通過檢測整流變一、二次交流電壓波形，滿足變頻器整流變移相角波形要求。經(jīng)現(xiàn)場多次試機，到目前為止未出現(xiàn)整流器過電壓故障。
4 經(jīng)濟效益分析
該水泥廠礦山石灰石1號、2號輸送皮帶機使用了PowerFlex7000四象限運行的變頻器，在皮帶機運行時使得變頻器長時間處于能量回饋狀態(tài)，將石灰石的勢能通過電機和變頻器轉(zhuǎn)換的電能直接回饋到母線電網(wǎng)上，使得電流從電機側(cè)經(jīng)變頻器送至電網(wǎng)。只有在皮帶機運行初期階段(即石灰石的勢能未能驅(qū)動皮帶)時，變頻器才從電網(wǎng)上吸取電能;在皮帶機正常運行和停止過程中，電機都處于再生發(fā)電狀態(tài)(第四象限)。
使用PowerFlex7000四象限運行的高壓變頻器的1號、2號膠帶機，電機可以自由從電動到發(fā)電兩種狀態(tài)的自由切換，并將石灰石的勢能通過電機和變頻器來轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。1號、2號膠帶機自2010年12月投入使用，截至2013年8月底，礦山1號皮帶累計總回饋電網(wǎng)電量500 390.0 kWh，礦山2號皮帶累計總回饋電網(wǎng)電量為910,557.4 kWh。
