ACS800四象限傳動(dòng)系統(tǒng)在下行皮帶中的應(yīng)用

堅(jiān)德毅，魏 萊，楊凱華，王 麗

1.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水 741020；2.中國(guó)石油西南油氣田公司低效油氣開(kāi)發(fā)事業(yè)部，四川成都 610017；3.天水市秦州區(qū)科技局信息服務(wù)中心，甘肅天水 741000）

1 概述

某鐵礦為運(yùn)輸鐵礦石而建的下行皮帶運(yùn)輸機(jī)，采礦場(chǎng)位于3700水平，礦石通過(guò)溜井給到2834水平，再由重板給料機(jī)輸送到皮帶上，運(yùn)往2677水平。皮帶全長(zhǎng)1615.533米，提升高度為-166.964米，帶寬1米。主傳動(dòng)是由兩臺(tái)交流異步電機(jī)、兩臺(tái)減速機(jī)、兩臺(tái)傳動(dòng)滾筒組成，通過(guò)一條皮帶串行連接在一起，分主機(jī)／從機(jī)，如圖1、2所示分別為主傳動(dòng)的配置和皮帶機(jī)側(cè)剖面圖，兩電機(jī)分別配有液壓電磁制動(dòng)器。整條皮帶全程裝有打滑、撕裂、一級(jí)跑偏、二級(jí)跑偏、超速、拉繩等安全聯(lián)動(dòng)保護(hù)裝置。兩臺(tái)ACS800變頻器控制。

兩臺(tái)電機(jī)由同一線(xiàn)路的兩臺(tái)變壓器分別供電，由兩臺(tái)ACS800標(biāo)準(zhǔn)電壓380V、四象限帶能量回饋功能的變頻器控制。

采用ABB多傳動(dòng)的主從控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均勻的分配。主機(jī)是典型的速度控制，從機(jī)跟隨主機(jī)的速度給定。主機(jī)通過(guò)一個(gè)光纖串行通訊鏈路來(lái)控制從機(jī)（從機(jī)的所有狀態(tài)通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)反饋給主機(jī)）。因主機(jī)和從機(jī)之間采用柔性連接，兩傳動(dòng)單元之間允許存在微小的速度差異，因此從機(jī)也為速度控制模式。當(dāng)主機(jī)和從機(jī)都采用速度控制時(shí)，要使用DROOP RATE（轉(zhuǎn)速降落），達(dá)到兩臺(tái)柔性連接的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡。

圖1 主傳動(dòng)的配置

圖2 皮帶機(jī)側(cè)剖面

2 主／從控制

2.1 電機(jī)、變頻器的工作狀態(tài)

此條下行皮帶運(yùn)輸機(jī)工作時(shí)兩臺(tái)電機(jī)都為反轉(zhuǎn)。

皮帶運(yùn)輸機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)減速機(jī)和傳動(dòng)滾筒后作用在皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轂上，并與上層皮帶自重沿傳輸面的重力分量作用在皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轂上的力矩合成。合成的驅(qū)動(dòng)力矩與驅(qū)動(dòng)輪轂受到的皮帶摩擦力等阻力合力矩相平衡，皮帶運(yùn)輸機(jī)空載恒速運(yùn)行；此時(shí)能量從電網(wǎng)經(jīng)由整流回路和逆變回路流向電機(jī)，兩電機(jī)處于反轉(zhuǎn)電動(dòng)態(tài)，工作在第三象限；當(dāng)皮帶運(yùn)上礦石后，礦石的重力沿皮帶傳輸方向的分力也作用在驅(qū)動(dòng)輪轂上，隨礦量增大使得驅(qū)動(dòng)力矩逐漸增大；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩超過(guò)摩擦阻力力矩后，兩電機(jī)處于反轉(zhuǎn)發(fā)電狀態(tài)，工作在第四象限。能量由電機(jī)通過(guò)逆變側(cè)、整流側(cè)回饋電網(wǎng)，故下行皮帶運(yùn)輸機(jī)應(yīng)用變頻器時(shí)，應(yīng)選用四象限帶能量回饋型變頻器。

變頻器驅(qū)動(dòng)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)情況可以分為：電動(dòng)狀態(tài)啟動(dòng)、發(fā)電狀態(tài)啟動(dòng)。

發(fā)電狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)，為了防止在拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩建立之前，負(fù)載轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值太大，而造成電機(jī)和變頻器過(guò)載，變頻器應(yīng)在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)預(yù)置一個(gè)高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，避免拖動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由于重礦帶動(dòng)皮帶下行，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩尚未建立，造成皮帶運(yùn)輸機(jī)暫時(shí)失控而出現(xiàn)故障停機(jī)的現(xiàn)象。當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到設(shè)定頻率后，電機(jī)按該頻率下的特征曲線(xiàn)運(yùn)行，輸出轉(zhuǎn)矩跟隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化。

2.2 主／從傳動(dòng)的速度給定

主機(jī)將由PLC接收到的控制字和給定值通過(guò)主／從光纖傳送給從機(jī)站。主機(jī)給定值由操作員通過(guò)PLC給出，從機(jī)給定值是根據(jù)主機(jī)的速度給定和最大速度或最小速度設(shè)定值運(yùn)算得出，無(wú)論最大／最小速度，絕對(duì)值大的決定速度給定的正／負(fù)限幅值，分別對(duì)應(yīng)為+20000和-20000。如圖3所示為主從機(jī)速度給定關(guān)系。

圖3 主從機(jī)速度給定關(guān)系

由圖3可知，在軟連接的主／從功能應(yīng)用中，主機(jī)給定的速度最大值、最小值以及從機(jī)給定的速度設(shè)定必須絕對(duì)值相等才能達(dá)到主機(jī)與從機(jī)速度同步功能。

2.3 DROOP RATE（轉(zhuǎn)速降落）

DROOP RATE的作用就是在電機(jī)的負(fù)載增大時(shí)，略微減小傳動(dòng)速度，使得電機(jī)的機(jī)械特征變軟。

DROOP RATE允許主機(jī)和從機(jī)之間存在微小的速度差異而避免兩臺(tái)電機(jī)因特性都太硬而導(dǎo)致負(fù)載分配無(wú)法均衡。本例中應(yīng)用ABB Drives通訊協(xié)議，使用控制字和狀態(tài)字將DROOP RATE的設(shè)定值和顯示值都設(shè)置在機(jī)尾的上位機(jī)上，便于設(shè)定與監(jiān)控。DROOP RATE的設(shè)置為電機(jī)額定速度的百分?jǐn)?shù)，在某一工作點(diǎn)，實(shí)際速度的減少取決于DROOP RATE的設(shè)置以及傳動(dòng)負(fù)載。

轉(zhuǎn)速降落＝速度調(diào)節(jié)器輸出×DROOP RATE值×最大速度

例如：轉(zhuǎn)差率設(shè)定為1%，速度調(diào)節(jié)器的輸出為63%，傳動(dòng)單元的最大速度為1490rpm。則轉(zhuǎn)速降落＝0.01×0.63×1490rpm＝9rpm

2.4 DROOP RATE 調(diào)節(jié)方法

主／從電機(jī)不同軸的柔性連接，DROOP RATE值可按拖動(dòng)系統(tǒng)帶載不同來(lái)調(diào)節(jié)。即變頻器電動(dòng)狀態(tài)啟動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)啟動(dòng)，如圖 4（a）、（b）所示。

圖4 皮帶機(jī)三種運(yùn)行狀態(tài)

（1）發(fā)電狀態(tài)啟動(dòng)

發(fā)電狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)兩電機(jī)應(yīng)該都工作在第四象限。此時(shí)皮帶運(yùn)輸機(jī)上是壓滿(mǎn)礦石的，沿傳輸面向下的合成驅(qū)動(dòng)力矩遠(yuǎn)超過(guò)摩擦阻力力矩，而這個(gè)力幾乎全作用在安裝在機(jī)頭高處的從電機(jī)上。當(dāng)沒(méi)有調(diào)節(jié)DROOP RATE時(shí)，兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，從電機(jī)轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于主電機(jī)。也就是在發(fā)電狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)，變頻器對(duì)電機(jī)預(yù)置轉(zhuǎn)矩從機(jī)比主機(jī)大很多，從電機(jī)把主電機(jī)也當(dāng)作“負(fù)載”拖動(dòng)運(yùn)行。

此時(shí)就需要調(diào)節(jié)主／從電機(jī)的DROOP RATE值。在帶速一定的情況下，隨負(fù)載增加而增加從機(jī)DROOP RATE值或減小主機(jī)DROOP RATE值可以使主／從電機(jī)均勻分配負(fù)載。

（2）電動(dòng)狀態(tài)啟動(dòng)

電動(dòng)狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)兩電機(jī)都應(yīng)該工作在第三象限。在帶速一定的情況下，隨負(fù)載增加而增加主機(jī)DROOP RATE值或減小從機(jī)DROOP RATE值可以使主／從電機(jī)均勻分配負(fù)載。

此外，皮帶運(yùn)輸機(jī)由空載向重載變化或由重載向空載變化的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)主／從兩電機(jī)在三、四象限工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程。例如：分析重載向空載變化的情況。隨載礦量的一直減少，會(huì)出現(xiàn)沿傳輸面向下合成力矩等于摩擦阻力力矩的臨界點(diǎn)，即兩臺(tái)電機(jī)向第三象限工作轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)。因主／從電機(jī)安裝位置、高度的不同決定了皮帶運(yùn)輸機(jī)負(fù)載變化大時(shí)，主／從電機(jī)負(fù)載分配的不平衡（不調(diào)節(jié)DROOP RATE），因此在到達(dá)整個(gè)皮帶傳輸機(jī)由發(fā)電狀態(tài)向電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)之前，主機(jī)會(huì)先轉(zhuǎn)為第三象限工作，從機(jī)仍然在第四象限工作如圖4（c）所示。當(dāng)?shù)V量進(jìn)一步減少，主機(jī)的正功率值會(huì)大于從機(jī)的負(fù)功率值。這時(shí)整個(gè)皮帶傳輸機(jī)由發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)為電動(dòng)狀態(tài)，但從機(jī)仍然在第四象限，主機(jī)拖動(dòng)從機(jī)運(yùn)行。此時(shí)減小主機(jī)DROOP RATE值或增加從機(jī)DROOP RATE值，直到兩臺(tái)電機(jī)功率同時(shí)為正值，則主／從兩臺(tái)電機(jī)全工作在第三象限電動(dòng)狀態(tài)。

皮帶運(yùn)輸機(jī)由空載向重載變化的情況恰好與以上過(guò)程相反。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)概述

控制系統(tǒng)配置為兩個(gè)I／O站，機(jī)尾為主站、機(jī)頭為從站，兩站間距超過(guò)1600米。主站配置為S7-300 CPU315-2DP PLC和上位機(jī)；從站為ET200M及兩臺(tái)變頻器，采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。為保證變頻器與PLC站的通訊速度不受距離影響，機(jī)頭、機(jī)尾應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)為光信號(hào)，通訊速率為1.5Mbit／s。在機(jī)尾設(shè)有一臺(tái)上位機(jī)對(duì)整套系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視、控制。

3.2 系統(tǒng)控制邏輯

系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該鐵礦破運(yùn)系統(tǒng)2#皮帶運(yùn)輸機(jī)上應(yīng)用了四象限帶能量回饋功能變頻器后，因系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)電機(jī)均工作于發(fā)電狀態(tài)，且通過(guò)回饋單元能量回饋至電網(wǎng)，變頻器檢測(cè)回饋功率為65-80kW。按照每臺(tái)電機(jī)回饋電網(wǎng)70kW，每天運(yùn)行16小時(shí)，每月28天計(jì)算，兩臺(tái)電機(jī)每月回饋電網(wǎng)電量：P＝2×（70×16×28）＝62720kW·h。

月總節(jié)約電費(fèi)：62720×0.5＝31360 元 （按 0.5元／kW·h計(jì)算）；年總節(jié)約電費(fèi)：31360×12＝376320元。

實(shí)踐證明，若合理配置并正確使用，下行皮帶運(yùn)輸機(jī)應(yīng)用四象限傳動(dòng)系統(tǒng)，除系統(tǒng)性能增強(qiáng)外，還可產(chǎn)生客觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ACS800主從機(jī)應(yīng)用指南.

［2］ACS800系統(tǒng)軟件7.X固件手冊(cè).

［3］許建剛.ACS800變頻技術(shù)在膠帶運(yùn)輸機(jī)電氣傳動(dòng)控制改造中的應(yīng)用［J］.中國(guó)金屬通報(bào)，2009：增刊.