變頻器在雙電機同步驅動皮帶輸送系統中的應用

張 普

(北方魏家峁煤電有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010308)

0 前言

在露天煤礦長距離皮帶輸送系統中，電機驅動控制是關系到整個皮帶輸送系統的安全、穩定運行的關鍵。對電機功率、轉矩、轉速、同步等控制技術要求高，控制邏輯及控制方式均復雜多變。因此，需要根據工藝生產過程的動態特性，經過試驗，科學設置相關技術參數，并對控制邏輯進行優化，充分發揮變頻技術的優勢，合理進行控制組態，形成了完整、可靠、成熟的控制方案，已經成功地應用在了北方魏家峁煤電有限責任公司露天煤礦的地面生產系統中，達到了理想的效果，取得良好的經濟效益和安全效益。

1 雙電機驅動皮帶系統組成

以北方魏家峁煤電有限責任公司露天煤礦地面生產系統105A/B皮帶機為例，皮帶生產出力為2000t/h。

105A/B皮帶機全長5000米，在皮帶機頭部附近設置2臺1120kW/690V變頻調速電動機，并在電機驅動端設置電液制動器及通過聯軸器設置三級減速器，保證皮帶最大運行速度4m/s，并可連續可調。

在電機驅動輸出皮帶處設置液壓及絞車拉緊裝置，保證皮帶松緊合適、運行平穩。

雙電機布置于同平面同側位置，減速器輸出軸驅動2臺大型滾筒帶動皮帶運轉，保證皮帶在2電機同時驅動下安全、平穩運行。

2 電機控制邏輯

三相異步電動機在接通電源瞬間，4極電機同步轉速高達1500rpm，轉子繞組與旋轉磁場的相對速度很高，故轉子電動勢和電流很大，從而定子電流也很大，可達額定電流的4－7倍，從機械特性上看，則在整個啟動過程中，動態轉矩很大，所以啟動時間很短。然而直接啟動存在以下問題:

(1)啟動電流大。當電動機的容量較大時，其啟動電流將對電網產生干擾;

(2)對生產機械的沖擊很大，影響機械的使用壽命。

采用變頻調速后，可通過降低啟動時的頻率來減小啟動電流。如:105皮帶電機在接通電源瞬間，將啟動頻率降至5HZ，則同步轉速只有150rpm，轉子繞組與旋轉磁場的相對速度只有工頻啟動時的十分之一，同時，可通過逐漸增大頻率以緩解啟動過程，在整個啟動過程中，使同步轉速與轉子轉速間的轉差限制在一定范圍內，則啟動電流也將限制在一定范圍內。另一方面，也減小了啟動過程中的動態轉矩，升速過程能保持平穩，減小對生產機械的沖擊。

105A/B電機驅動部分設備有電機冷卻風機、電機制動器、減速機冷卻風機、減速機潤滑油泵以及電機溫度、減速機溫度、油壓、過濾器差壓等控制和檢測信號。為保證主電機控制的可靠性和安全性，將主電機的控制回路單獨進行組態，其它設備的控制亦單獨組態。并在PLC控制系統中采用不同的輸入輸出模塊進行信號處理，避免信號的相互交叉和干擾，提供控制系統的安全性和可靠性。

105A/B主電機啟停控制回路中，在啟動閉鎖回路增加事故急停按鈕、皮帶拉繩急停外部停機信號以及變頻器內部保護信號。在停止聯鎖回路增加事故急停按鈕、皮帶拉繩急停外部停機信號以及變頻器內部保護信號。事故緊急停機信號同時作用于105A/B主電機控制回路中，保證兩電機同時動作。以達到在皮帶事故狀態下停止電機的運行，保護皮帶系統人員及設備的安全。

3 變頻器調速應用

在變頻器的應用中，有很多場合需要進行主從控制，當一個傳動設備是由兩個或多個電機驅動的時候，就需要通過主從控制來分配各個電機間的負荷使其達到均勻平衡，以滿足對傳動點的控制精度。

主從應用中主傳動是典型的速度控制，而從傳動是速度或者轉矩控制。

(1)當主傳動和從傳動的電機軸通過齒輪或鏈條相互固定連接時，從傳動與主傳動之間不能有速度差，從傳動使用轉矩控制，其工作時只負責輸出一定比例的轉矩以減少主傳動的負荷，整個傳動的速度控制由主傳動來完成。

(2)當主傳動和從傳動的電機軸通過傳輸帶等設備柔性連接時，從傳動與主傳動之間允許有細微的速度差，從傳動使用速度控制。

(3)在一些特殊應用中從傳動既需要速度控制，也需要轉矩控制，原因是兩個電機軸工作時有的時候是硬性連接，有的時候是柔性連接，一般有主從控制性能的變頻器都有自由切換這兩種控制方式的功能。

北方魏家峁煤電有限責任公司露天煤礦的地面生產系統，因為工藝對異步電機的同步控制要求非常高，使用的是兩臺電機控制同一條皮帶(柔性連接)，所以采用的是轉矩同步。

主從控制的關鍵技術問題是如何把主傳動的速度信號或轉矩信號高速和精確地傳送到從傳動變頻器，實現方法因產品規格型號不同會有所差別，并且在各種應用場合中由于傳動控制精度的要求不同也可以通過不同的方法來實現，根據魏家峁煤礦實際運行情況，接下來以AB的Power Flex700S系列型變頻器為例說明主從控制的幾種實現方法及其控制特點。

通過模擬量輸入輸出口(AI/AO)連接實現主從控制。Power Flex700S型變頻器的控制板上集成有可編程的兩個回路的AI(模擬量輸入口)和兩個回路的AO(模擬量輸出口)，在主從應用中主傳動的速度或轉矩信號可以通過AO口轉換成標準的4＆20mA信號輸出，而從傳動則是通過AI口接收主傳動發來的速度或轉矩給定值，這樣就可以實現經濟實用的主從控制應用。

在主傳動中可以應用Power Flex700S型變頻器內的965參數，由內部把速度轉換成十進制數據當作從傳動的給定值，連接到929參數中。在從傳動中若其是作為速度控制則把模擬輸入口數據值通過光纖連接到速度給定連接量27參數中，若其是作為轉矩控制則把數據值通過光纖連接到轉矩給定連接量319參數中，或者也可以將數據進行處理后再連接到相應的連接口。至于變頻器的運行命令或聯鎖控制則可以通過變頻器的數字量輸入/輸出接口來實現，從而實現主從控制。其控制特點:簡單實用，不需要投入其他的硬件設備就可以實現兩個變頻器間的主從控制，模擬量的輸出口分辨率為10bit+sign，輸入口分辨率為11bit+sign，響應時間為5mS左右，若是增加軟件濾波時間則響應時間也會跟著增加，此方法對于速度較低、控制精度要求不是很高的主從控制來說相當方便實用，其主要的缺點是模擬信號較容易受電磁干擾，并且A/D和D/A轉換器也會有零點漂移，在實際應用中需要特別注意。

(1)通過通訊模塊連接實現主從控制

Power Flex700S型變頻器的控制板上兩個有用于擴展的插口，通訊模塊可以直接插在上面使用，變頻器通過通訊板可以作為從站和PLC等主站進行數據交換，通過PLC完成兩臺變頻器的主從控制，其接線原理圖如下(見圖1)所示:

圖1 變頻器通訊方式主從控制原理接線圖

在該應用中主從傳動的速度或轉矩分配是由PLC來完成，PLC根據兩個傳動的控制特點把計算好的速度或轉矩值周期性地發送給變頻器，變頻器根據接收到的控制命令和給定值進行高精度的速度或轉矩控制。控制特點:controlNer是一控制層網絡、數據的傳送速率快，Power Flex700S變頻器通過通訊方式可以進行32位的數據處理，通過PLC的控制兩臺變頻器可以實現高精度的主從控制，PLC可以通過control-Ner通訊方式中的同步功能使兩臺變頻器的運行命令和速度或轉矩給定值實現同一時間接收，從而實現高精度和響應快的主從控制。該種控制方式要求為每臺變頻器配置一塊controlNer通訊模塊，并且需要對PLC等上位機進行軟件編程才能實現控制。所以特別適合在已經配置有controlNer通訊網絡的大中型傳動中使用。速度同步是做不到真正意義的線速度同步，只能做到角速度同步。但因為存在一些機械誤差，電機誤差，機械磨損等因素，使電機運行一段時間啟動困難等問題。如果主從電機的線速度相差很大，就會造成其中速度快的電機出力過大，使出力大的電機帶著出力小的電機運行，出力小的電機按著自己的速度運行，抵制出力大的電機快速運行，導致皮帶過緊，這種情況在實際生產中是不允許的，因為這會造電機發熱燒毀或皮帶撕裂等，造成經濟損失，影響企業的效益。

在電源進線柜，三相690VA.C電源在10kV/690V變壓器副邊分別采用△與Y接方式引入，以便產生12脈沖的電壓信號，改善電源波形，減少對供電系統的諧波干擾。變壓器副邊采用高阻接地，以保護變頻器的安全運行。

兩臺主電機的同步控制是通過105aVFD03柜與105bVFD03變頻器控制柜通信方式實現的。我們設定了以105a電機為主方式，105b電機為跟蹤方式。在105aVFD03柜中設置好頻率給定方式、頻率速率、頻率上下限等主要技術參數以及電機功率、額定轉速、電流等設備參數。

在未連接減速機及皮帶的狀態下，分別對105a、105b電機進行了單電機運行試驗。經過多次模擬試驗，確定變頻器及電機的最小、最大運行頻率，以及加減速運行速率、運行曲線等相關技術指標。在單電機運行方式下，未進行兩臺電機的同步試驗，因為兩臺電機之間沒有聯系，電機轉矩亦很小，不能作為參考數據實現同步。

為確保兩臺電機同時運行時同步，在接入減速機及空皮帶情況下，重新核實變頻器所有設置參數，確認無誤后，進行空載試驗。首先，在未投入轉矩平衡狀態下，投入轉速平衡功能，掌握主副電機的運行特點，觀察輔電機的跟蹤特性，在不同的給定轉速情況下，匯出副電機的跟蹤曲線，進行分析判斷。最終確定皮帶空載情況下變頻器的最佳設置參數1。其次，在在未投入轉矩平衡狀態下，投入轉速平衡功能，掌握主副電機的運行特點，觀察輔電機的跟蹤特性，在不同的給定轉速情況下，匯出副電機的跟蹤曲線，進行分析判斷。最終確定皮帶空載情況下變頻器的最佳設置參數2。結合上述兩種運行方案，確定在皮帶空載情況下最優設置參數，投入運行試驗。經過24小時連續運行考驗，在0、25%、50%、75%、100%各工況下，變頻器運行穩定，各項技術指標完全滿足生產需要，轉速調節靈活、跟蹤情況良好、啟停特性優異，充分發揮了變頻器的優良性能，為皮帶系統的安全運行奠定了堅實的基礎。

通過皮帶系統帶負荷試驗，變頻器在空負荷、半重載、重載情況下運行穩定，未發生兩電機異步運行帶來的皮帶拉扯及撕裂現象，保證了地面生產系統的安全、穩定運行。

4 結束語

變頻器在大功率雙電機同步驅動系統中的應用，解決了在長皮帶輸送生產系統中平穩啟動、停止及安全運行的問題，實現了負荷調整的連續性和穩定性。

變頻器在北方魏家峁煤電有限責任公司露天煤礦地面生產系統的應用，有效解決了雙電機同步驅動的技術難題，避免兩臺電機啟動時轉速、轉矩的不平衡，從而造成皮帶拉扯撕裂現象的發生，保證了皮帶系統的長期安全、穩定運行。