變頻器在下運帶式輸送機中的應用

王棟

[摘 ? ?要]簡述了變頻器在下運帶式輸送機的應用，并根據下運帶式輸送機的工況需求及再生能量的處理方式，引出了變頻器在下運帶式輸送機中的三種應用方案，對三種應用方案進行了詳細的介紹，并就三種方案的適用范圍、性能、成本、節能等方面進行了對比。結合實際應用案例表明，變頻器在下運帶式輸送機的應用中能提供下運帶式輸送機所需的的驅動力和制動力，保證皮帶穩定可靠運行。

[關鍵詞]下運帶式輸送機;變頻器;盤式制動

[中圖分類號]TD634.1 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）05–0–03

Application of Frequency Converter in Downward Belt Conveyor

Wang Dong

[Abstract]This paper briefly describes the application of frequency converter in the lower belt conveyor， and according to the working condition requirements of the lower belt conveyor and the processing method of regenerative energy， three types of frequency converters in the lower belt conveyor are introduced. Application scheme， the three application schemes are introduced in detail， and the application scope， performance， cost， energy saving and other aspects of the three schemes are compared. Finally， combined with practical application cases， it is shown that the inverter can provide the driving force and braking force required by the lower belt conveyor in the application of the lower belt conveyor， and ensure the stable and reliable operation of the belt.

[Keywords]down-carrying belt conveyor; frequency converter; disc brake

帶式輸送機已成為礦山礦井、港口碼頭、地鐵隧道、引水隧道等生產中一種重要的運輸工具，其最大的特點是能夠使生產系統更加緊湊、集中和合理。它正朝著長距離、大運量、大傾角方向發展。下運帶式輸送機是一種傾斜向下運輸的帶式輸送機。在下運帶式輸送機運行過程中，需要提供有效的制動裝置，能夠使下運輸送機不出現加速現象，解決此問題的辦法有增加阻尼滾筒、阻尼托輥、轉速限制器等，此類方法會造成設備磨損、能量損耗、不可有效控制等缺點，現在越來越多地采用變頻器為帶式輸送機提供平穩的驅動力及制動力，變頻器在調速范圍、調速精度、控制靈活、工作效率、使用方便等方面都有很大的優點。

1 變頻器在下運帶式輸送機的應用簡介

變頻器可分為兩象限變頻和四象限變頻器。兩象限變頻器大都采用二極管作為整流橋，其只能工作在電動狀態;四象限變頻器采用IGBT作為整流橋，其可以實現能量的雙向流動。

在變頻器驅動的下運帶式輸送機運行過程中，皮帶上物料重力作用產生的下滑力大于輸送機的各項阻力之和時，會帶動電機加速運轉直至超過電機的同步轉速，電機進入發電工況運行，并輸出制動力矩，最終達到新的平衡點，而此時也會產生大量的再生電能，如果這部分再生電能不及時消耗，就會導致直流母線過壓，變頻器會故障報警，甚至會損害變頻器。在變頻器應用中，對再生能量最常用的處理方式如下。

（1）通過并聯“制動電阻”，以熱能的形式消耗，其為能耗制動。

（2）反饋的能量回饋到電網或再生利用，以作功的形式消耗，其為再生制動。

下運帶式輸送機的變頻驅動系統配置在帶式輸送機的上游位置，保證皮帶驅動的張緊度，防止驅動出現打滑現象，并且為了保證設備安全運行，需配置機械式的輔助制動裝置。

2 變頻器在下運帶式輸送機應用方案

根據下運不同的工況下，通過變頻器的靈活搭配，提出變頻器在下運帶式輸送機中的三種應用方案。

2.1 方案1

方案1為二象限變頻器+制動單元+制動電阻。

該方案制動單元為直流斬波器，可以在變頻器內置和外置，對于AC400 V、50 Hz供電的變頻器，其直流母線一般為DC570 V，斬波電壓一般DC630 ～760 V可調。制動單元是一種間歇性工作的電力電子設備，為了保證其正常工作，必須合理選擇制動單元，其根據制動頻度ED及變頻器功率進行選型。制動電阻及功率選型可根據制動單元選型手冊中的匹配電阻進行選型。

方案1的再生電能通過電阻發熱的方式消耗掉，若長時間制動，或制動功率較大時，需要配置數量較多的電阻，且電阻長時間處于能耗制動狀態，會造成發熱嚴重，需要對電阻進行嚴格的散熱處理，此時方案1的成本較高，整體的配置較為繁重，并造成大量能量的浪費，故方案1主要應用場合為小坡度低運量的下運輸送帶，其在正常負載時變頻器處于電動狀態，偶爾會出現短時間過載時，變頻器才會處于發電狀態的工況。

2.2 方案2

方案2為二象限變頻器共直流母線，其中有制動工況的變頻器，有驅動工況的變頻器，制動工況的變頻器的能量由驅動工況的變頻器消耗。

方案2為多個單體的二象限變頻器進行共直流母線處理，其保證了多臺變頻器的相對獨立性;也可采用共直流母線的方式，整流裝置與逆變裝置分開，一臺或多臺較大整流裝置共直流母線，且每臺逆變器都必須另外作隔離保護裝置。上述方式變頻器，須由一個變壓器供電，且盡量安裝在一起，避免遠距離配線，且其容量可以不必相同，反饋的能量由各個負載單元互相利用，不足的能量由電網提供。

二象限變頻器共直流母線的再生電能通過內部再生利用的方式消耗掉，電動工況的變頻器與發電工況的變頻器必須同時工作。方案2主要應用場合為下運輸送帶與其他變頻負載共存的工況下使用，其他負載變頻器處于電動狀態，下運帶式輸送機變頻器處于發電狀態，且其他負載變頻器的輸出功率不小于下運帶式輸送機的發電功率，存在一定的局限性，但這種應用方式節電率最高，成本最低。

2.3 方案3

方案3位有源前端AFE+功率單元。

AFE單元是共直流母線產品中的可回饋功率轉換器的前端，需要有外部L（CL）濾波器和充電電路，且其各種保護功能齊全，安全可靠。AFE單元可單一變頻器、公共直流母線、有功前端單元并聯多種組合方式，在有源前端AFE單元并聯使用時需要設置下垂drooping參數=5%。設置PWM同步參數=Enable（每臺AFE都設置）。其可實現AFE單元的擴容以及同步性。

有源前端AFE+逆變功率單元可實現可控整流及能量回饋，直流母線電壓可調，功率因數可調，通常可達到99%，通常配置LCL濾波單元，可有效降低諧波，直流母線電壓波動帶來的影響基本可忽略，直流母線電壓恒定，變頻器控制的性能及可靠性較高。

有源前端AFE和功率單元的選型根據制動功率和驅動功率兩者之間的較大值進行選擇。有源前端AFE+逆變功率單元的再生電能通過回饋電網的方式消耗掉，適用于各種工況下的下運帶式輸送機，其對諧波要求較高，節能、控制性能及可靠性高，但成本相對較高。

2.4 方案對比

通過對以上三種方案的詳細介紹，對三種方案的適用工況，優缺點進行總結，見表1。

在實際工況下，可以綜合考慮，選擇最優方案。在方案2中，若發電工況的電機短時間過載時，發電功率在短時間大于電動功率時，可以結合方案1，在直流母線上增加制動單元及制動電阻，將方案1與方案2結合使用，使整套系統從性能、成本、節能方面達到最優配置。

3 案例

如圖1所示，在某項目中使用越野皮帶機，該越野皮帶機為配合隧道掘進機出渣，其出渣量由閘門控制，基本在保持在300 t/h以下，短時間內會達到600 t/h。

下面對帶式輸送機的制動功率或驅動功率進行計算。

（1）基本參數

水平機長：L=606 m;

提升高度：H=-37.9 m;

最大運量：Q=600 t/h;

皮帶帶速：v=0-3.15 m/s;

托輥直徑：φ108 mm

上托輥間距：直線段1.5 m

下托輥間距：直線段3 m

承載部分：qR0=8.14 kg/m;

回程部分：qRU=4.17 kg/m;

輸送帶質量：qB=20.5 kg/m;

每米輸送物料的質量：qG=52.9 kg/m;

輸送能力：。

（2）主要特種阻力FS1=Fε+Fgl=

式中，Cε為槽形系數;μO為摩擦系數;Lε為裝前傾托輥的輸送機長度;ε為前傾角度;μ2為物料與導料欄板摩擦系數;b1為導料欄板間寬度;l為導料欄板長度;δ為皮帶角度。

（3）附加特種阻力

FS2=4Fr=4×A×P×μ3

式中，A為接觸面積;p為壓力;μ3為摩擦系數。

（4）傾斜阻力FSt=qGHg

（5）主要阻力FH=

fLg[qR0+qRU+（2qB+qG）cosδ]

由此可得：

圓周力：FU=CFH+FSt+FS1+FS2

傳動滾筒軸功率：PA=FUv/1 000

驅動電機所需功率：

式中，備用系數Kd=1.2;η1為聯軸器效率，0.98;η2為減速器傳動效率，0.96;η′為電壓降系數，0.95。

該越野皮帶機屬于小坡度低運量的下運輸送帶，且其附近無其他負載，故二象限變頻器共直流母線方案在此不適用，綜合考慮成本及實際工況需要，最后選擇二象限變頻器+制動單元+制動電阻方案。

根據計算，該越野皮帶機采用頭部驅動的形式，電機功率為200 kW，變頻器選用Vacon二象限變頻器NXP04605，制動電阻選用貝殼BKRX20-5KW45RJJ/5KW/4.5Ω/10個，共50 kW，制動單元選用貝殼BKBU4400N/1只/動作電壓670 V。

通過監視變頻器的直流母線電壓，其波形如圖2所示。

在越野皮帶機帶載量較大時，電機處于發電制動狀態，變頻器直流母線上升，當直流母線電壓上升至670 V時，通過制動電阻能耗制動，制動單元的運行指示燈常亮;在越野皮帶機帶載量適中或較小時，電機處于電動驅動狀態，變頻器直流母線恒定在570 V，此時制動單元的運行指示燈不亮。且在越野皮帶機運行期間，制動電阻溫度均在正常范圍內，皮帶速度運行穩定，未出現超速、飛車等情況。通過實踐驗證，采用變頻器+制動單元+制動電阻方案很好地解決了該越野皮帶機的下運能耗制動及驅動運行的需求。

4 結束語

提出了下運帶式輸送機的三種解決方案，并對其進行了詳細分析，在使用范圍、性能、成本及節能方面對其進行了歸納總結。最后根據案例的實際工況情況進行了方案的選擇，通過計算數據進行了元器件的選型，并通過實際應用效果進行驗證。變頻器在下運帶式輸送機的應用，相比于傳統的增加阻尼等方案，其操作更靈活方便，可控性好，運行可靠，減少設備磨損，節能，具有很好的應用前景。

參考文獻

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