長距離大運量膠帶機變頻驅動方案特性分析

袁玉鵬

（唐山冶金礦山機械廠設計中心 河北 唐山 063027）

0 引言

傳統的膠帶輸送機大多采用工頻拖動。隨著技術的發展，膠帶機變頻驅動在國內應用日趨廣泛，碼頭和采礦業有很多成熟的應用案例，如連云港煤碼頭、山西金海洋煤礦皮帶、同忻煤礦皮帶等。據綜合分析運輸設備采用變頻調速節能可達到20%～40%，具有明顯的經濟效益和社會效益。

1 膠帶輸送機對驅動控制的要求

由于大運量、長距離膠帶輸送機的驅動功率大，需用多臺電機驅動，且多采用中、高壓供電，因此在對電機的驅動控制方面有著許多更高的和特殊的要求，主要有以下幾點：

1）電機的啟動電流要小，以減少對電網造成大的沖擊，避免造成輸送機重載啟動困難和對傳動設備的猛烈沖擊；同時減小對電網上其他設備正常工作的影響。

2）電機的啟動力矩要大，特別是要保證重載啟動時有足夠的力矩。

3）驅動控制裝置長期運行的可靠性要高。

4）多電機驅動時功率平衡的精度要高。

5）保證多電機驅動時各電機速度同步的精度要高。

6）起、制動過程要平穩，以避免膠帶和滾筒之間的打滑現象。

7）驅動控制方式有利于節能降耗。

8）使用方便，維護成本低，提高整個系統的運營效益。

膠帶機是通過驅動滾筒，靠摩擦牽引皮帶運動，皮帶通過張力變形和摩擦帶動物體在支撐托輥上運動。皮帶是彈性儲能材料，在膠帶機停止和運動時都儲存有大量勢能，這就決定了膠帶機在啟動時應該采取軟啟動方式，以減小電流對設備的沖擊力。而傳統的工頻啟動電流沖擊大，扭矩要求高，主要表現為橫向振動、縱向振動以及動態張力波在膠帶中的傳播和疊加，造成輸送系統的不穩定，具體表現為膠帶斷裂、機械損害、局部諧振跳帶、疊帶、撒料等；同時，由于電機無法采用軟啟軟停，在機械上產生劇烈沖擊，加速了機械的磨損，加大了皮帶的應力，從而造成設備晃動，滾筒、托輥壽命縮短，成本上升。與常規帶式輸送設備的驅動方式不同的是，變頻驅動方式能精確地控制電機的轉矩和速度，且輸出效率能夠達到96%以上。顯然，從理論角度來說變頻驅動方式在長距離大功率復雜工況條件下，無疑是帶式輸送設備較好的驅動方式。

2 變頻調速原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調的交流電源。現在使用的變頻器主要采用交—直—交方式 （VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成的。

變頻調速就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的。膠帶輸送機采用變頻驅動控制，解決在皮帶機啟動過程中軟起動和大于額定轉矩的1.5倍下的重載起動。減少對皮帶和電網的啟動沖擊；在輕載或空載運行時自動降低膠帶機的運行速度，起到節電和對膠帶及托輥的機械磨損，并可配合膠帶張緊裝置完成膠帶機在停電狀態下放松皮帶，增加皮帶的使用壽命。速度調節范圍0～100%。實現低速驗帶及檢修、高速運行等功能。解決多臺電機拖動之間的功率平衡問題。

3 我們現將變頻驅動作進一步特性分析

1）輸出效率

變頻驅動效率好于液壓馬達及液力耦合器，功率因數高（96%以上）。

2）安裝方式

變頻裝置安裝方便，電機和負荷不動，將其加入電源側即可，并且可以在中控室進行集中控制，易安裝，易維護。

3）安全性

變頻裝置在出現問題后，可以工頻旁路的方式運行，保證生產延續。

4）運行精度及穩定性

變頻運行精度高，可以實現精確調節，速度是由輸出頻率限定，當負荷出現波動時，轉速不變，且多驅電機同步給定簡單，比如采取頭一尾四驅動方式，變頻能通過精確同步控制，使電機兩兩同步，以更好使皮帶穩定啟動，并且能達到無極調速和無極中的有極調速，使得皮帶在運行中，根據運料多少控制電機輸出轉數和輸出扭矩，以達到更好的節能效果。

5）操作性

變頻調速操作簡單，精確，快速，可實現自動控制。變頻器調速范圍為0～100%，在整個調速范圍內都具有較高的效率（大于96%）。如果電機和負荷機械強度允許，電機也不過流的話，變頻器還可以使機械超速運行。

6）啟動特性

變頻器對電機及負荷機械實現真正的軟啟動，徹底解決了啟動沖擊問題，如果工藝需要，電機可以在短時間內多次重復啟動，低壓變頻器采用高科技12脈動，對電網無污染，高壓變頻器采用電流源型方案，則更不會涉及到電網污染問題。

7）智能監控，實時響應

變頻器支持工業通訊協議，通常預留通訊接口，能夠將變頻器及電機的實時數據大量、高效地傳入PLC進行閉環控制，如在距離不同的料場堆取料時能夠通過模型自動運算調節電機功率，提高配料的自動化水平，減少工作人員，改善工作環境，甚至可以將數據直接傳送到管理層，從而實現堆場節電和堆場無人化管理。

8）節能

（1）啟/停車控制節能

a.通用電機功耗為：P=F勻V勻+Famaxt

P:電機功耗

F勻：勻速時 皮帶張力

V勻：電機轉速（50赫茲）

F：電機啟動加速時皮帶張力

amax：電機啟動最大加速度

t:加速時間

b.變頻控制電機功耗為：P=F勻V勻+Fa調t

其中a調為變頻可調加速度

當a調下降→F下降→P下降

即P=F勻V勻+Fa調t

在節能的同時對電機、機械、皮帶沖擊力可減小約50%，延長其使用壽命，減小維護成本。

（2）通過可選擇性投入電機運行

根據要求只需局部運料時，可根據需要選擇需運轉的電機（如：四驅）。控制原理如圖1。

圖1

當選擇1、2、3號電機運行時，若4號電機有能量回饋，會直接給1、2、3號電機供電。關于PLC控制，建議可采集1、2、3號電機電流，當其電流大于電機額定電流80%時，自行投入4號電機運行；當其電流小于電機額定電流50%時，自動切除4號電機運行，自動實現4號電機的投入與切除。

9）性價比及維護費用

變頻調速裝置初期投資較高，但其只占設備生命周期總費用的6%左右。其直接和間接的效益相比，性價比依然很高。變頻調速維護費用低，可靠性好，在設備正常運行時基本無消耗品。

4 結語

通過分析我們可以看出，變頻驅動是膠帶機綜合效益提高的有效途徑，一方面是節約能源，另一方面是大大減少了電動機和設備的維修費用，減少了停工維修時間，提高了運量，很快就可以收回投資。膠帶輸送機變頻驅動方式實際涉及的內容較多，本文僅從幾個方面進行了簡單的探討，為實際的應用提供一些參考。

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［3］成大先.機械設計手冊[M].化學工業出版社，2002，1.

［4］天津電機傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊[M].2版.機械工業出版社，2005，6.

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