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1、高压变频器在大落差矿山皮带输送机驱动控制系统中的应用 0引言 某水泥厂石灰石输送皮带机一期两条5000t/d熟料生产线，其矿山分厂石灰石输送设置了3条石灰石运输长皮带机。全线长5.046km，总提升高度为-446m，由3套胶带机组成，相关技术参数见表1，系统全貌见图1。本文对高压变频器在长距离大落差矿山皮带输送机驱动掌握中的应用经验进行总结，主要以表1中的1号和2号胶带机的驱动掌握系统方式以及高压变频器的选择为争论对象，仅供参考。 1皮带机启动、停止及掌握方式的选择 皮带机运输能力大，工作阻力小，耗电量低，运距长，且维护简洁便利，在物料输送中得到广泛应用。皮带机有水平运输、向上运输、向下运输三
2、大类，向下运输存在“滚料”和“飞车”现象，安全隐患大。由于胶带输送机具有弹性，在启动加速、停车减速及张力变化过程中呈现出横向振动、纵向振动以及动态张力波的传播和叠加，造成输送系统的不稳定，经常出现胶带断裂、机械损坏、局部谐振跳带、叠带、撒料等。分析认为：驱动设备是胶带输送机的关键设备，直接影响到输送机的整机性能。早先水泥厂矿山石灰石和码头熟料输送胶带机设备选型一般使用调速型液力偶合器或CST等机械和液压方式的驱动设备，效率低、维护复杂，且非线性、启动电流大、调速性能差。大的启动加速度，简单导致胶带持续波动，张力特性较差，无法对长距离输送的皮带实现动态优化和为安全启动供应有效的保证。 变频调速驱
3、动掌握系统可应用于输送机类恒转矩负载的调速驱动掌握。在轻载及重载工况下,均能有效掌握胶带输送机弹性负载的软启动/软停车的动态过程，实现各驱动之间的功率平衡，并供应可调验带速度。由此降低直接启动/快速停车过程对机械和电气系统的冲击，避免撒料与叠带，有效抑制胶带输送机动态张力波造成的危害，延长胶带机使用寿命，既节约设备投资，又保证安全运行。 特殊是下运式皮带输送机，属于恒转矩负载，当变频器在启动和加速运行时，电机输出转矩作用于皮带驱动设备上，电机处于电动状态，当皮带带上物料后，物料重量沿皮带传输方向上的分力作用于皮带驱动装置上，并使驱动力矩渐渐增大，当此力矩大于电机的驱动力矩时，此时皮带驱动装置拖
4、动电机转动，电机处于再生发电状态，因此需要通过制动电阻消耗再生电能，或者通过反馈装置将电能反送给电网，以防止母线电压过冲和变频器过压。由于技术的限制，下运式皮带输送机只能配置制动装置，其功能的完善、性能的好坏，直接影响着下运带式输送机牢靠与运行安全。对于大倾角下运带式输送机的制动，为保证皮带机正常开机、停车和紧急停车，避免发生事故，一般不直接采用机械抱闸制动，而是采用可掌握动装置。目前已应用的可掌握动装置主要有盘式制动器、液力制动器、液压制动器和粘液可掌握动器。在四象限运行变频器应用之前，即使采用变频器驱动，下运皮带机电机处于再生发电状态时，通常系统通过设置制动电阻来消耗其电能，让电能白白地铺
5、张在制动电阻上。这些制动方式需要配备泵、电阻等耗能设备，靠耗能来实现制动。四象限运行的变频器，电机可以实现从电动到发电两种状态的自由切换，并将下运式皮带机势能通过电机和变频器转换成电能回馈到电网。 依据皮带的基本参数，1号、2号、3号皮带长、落差大、电机功率大，启动、停止、运行及紧急故障停机掌握复杂，难度较大，从驱动设备启动掌握性能、牢靠性、投资、运行成本、电力输电和配送及能量消耗等方面分析比较，详细见表2。 通过比较和论证，1号胶带机和2号胶带机选用PowerFlex70006kV高压四象限运行变频器是最佳方案。3号胶带机选择690VS120低压四象限运行变频器较合理。 21号、2号胶带机对
6、变频装置性能的要求 (1)胶带机属于下运胶带机，带载运行时电机始终处于发电状态，所以变频器应始终处于回馈状态。 (2)由于下运胶带机的特别性，所以要求变频器始终处于带电工作状态，任何状况下都不允许其断电(变频器故障损坏已无输出电压、电流时除外)。 (3)1号、2号胶带机选用6kV高压变频器，所以变频器应具备高压供配电规范要求。 (4)变频器具备主从掌握多驱功能，通过光纤、编码器等反馈掌握系统实现主从同步驱动。 (5)高压电动机技术参数： 额定功率：11250kW(1号胶带机、2号胶带机); 额定电压：6kV; 额定电流：140.7A; 频率：50Hz。 (6)变频器技术参数选择： 额定输出电压
7、：06kV; 输出频率：050Hz; 额定输出功率：1250kW，恒转矩皮带机专用; 额定输出电流：160A; 持续过载能力：110%; 短时过载能力：在变频器额定电流160A的基础上具备150%变频器额定输出电流1min、每隔10min可重复一次的过载能力; 输入整流桥：6.5kVSCR可控硅; 逆变模块：6.5kVSGCT; 调速范围：075Hz(依据电机状况可设定); 调速精确度：0.01%(6Hz以上); 整流器件：6.5kVSCR可控硅; 功率单元个数：18个整流SCR可控硅+18个逆变SGCT; 操作象限：标准四象限; 连续运行可承受的欠压百分比：在10%额定电压波动范围内能满载输
8、出，在70%90%额定电压范围内降额连续运行; 不平衡度最大值：30%; 功率因数：0.96(额定负荷下); 额定负载下的总效率(包括变压器在内)：96.5%(变频器本体效率98%); 瞬间失电延时：在厂用电切换或短时失电主电源恢复后，变频器在0.11200s(可设定)内达到一定转速(可设定)，而不需要手动复位或调整; 冷却方式：强制风冷; 防护等级：IP21。 (7)移相整流变压器技术参数要求： 型号：ZTS-1800kVA/10/32.1kV; 额定容量：1800kVA; 原边电压：10kV; 电压分接：5%; 副边电压：32.1kV; 联接组别：D，d0，d-20，d+20; 阻抗电压：
9、7%。 3调试和试运行 3.1调试和试运行的技术要求与留意事项 通过PLC的输出模块对变频器发出启动信号，变频器在零转速负扭矩达到最大后对PLC输出此状态信号，PLC发出开闸指令。盘闸打开后，对变频器发出已开闸信号，通过变频器输出访胶带机速度应可控从03.8m/s(从050Hz)开头平稳启动;通过变频器使胶带机的启动加速度掌握在a=0.0250.1m/s2之间，启动时间大约在40160s(从050Hz)。 正常停车时，通过PLC的输出模块对变频器发出正常停车信号，通过变频器使胶带机的减速度掌握在a=0.0250.05m/s2之间，停车时间为76160s(从500Hz);通过变频器输出访胶带机转
10、速 可控从3.80m/s(500Hz)平稳停车。满载时当带速降到0.4m/s(5Hz)时变频器对PLC输出此 状态信号，PLC发出盘闸关闭指令，盘闸制动时间S(510s)详细依据现场盘闸制动时间确定;调整变频器停车时间=S，空载时当带速达到0m/s(0Hz)时变频器以对PLC输出此状态信号，PLC发出盘闸关闭指令。 验带速度：0.4m/s(5HZ); 急速停车时，通过PLC的输出模块对变频器发出急速停车信号。通过变频器输出访胶带机减速度 掌握在a=0.10.15m/s2左右，制动时间为2740s(从500Hz)左右，当带速降到0.8m/s(10Hz)时变频器对PLC输出此状态信号，PLC发出盘
11、闸关闭指令。盘闸制动时间S(510s)详细依据现场盘闸制动时间确定，调整变频器停车时间=S(从100Hz)。 当跑偏开关动作时变频器要正常停车;当拉绳、打滑、防撕裂动作时，变频器要急速停车。 变频器故障时马上对PLC输出此状态信号，PLC连忙发出盘闸关闭指令。值得留意的是双驱动装置，变频器应考虑到两台驱动转速同步、转矩平衡及两台变频器之间的连锁和互锁等相关问题。 3.2变频器系统应配置的详细信号 (1)PLC系统配置如下模块，与变频器进行点对点接口，需要变频器进行相应配置：DI模块，变频器输出开关量点通过继电器输入到PLC;DO模块，PLC通过继电器输出开关量点到变频器;AI模块，变频器可输出
12、4路420mA信号到PLC;AO模块，变频器可接收4路PLC发出的420mA信号。 (2)速度设置分为三档，以满意不同工况下的运转：验带速度，0.4m/s，即5Hz;中间速度，2.4m/s，即30Hz;满速运行，3.8m/s，即50Hz。 (3)时间设置分为三种：正常启动时加速时间为40106s;正常停止时减速时间为70160s;急速停车时减速时间为2740s。 (4)变频器输出开关量信号点：a.备妥;b.运行;c.故障;d.达速;e.零转速负转矩达最大信号;f.满载停车时带速降到0.4m/s(5Hz)信号;g.急速停车时带速降到0.8m/s(10Hz)信号;h.空载停车时带速降到0m/s(0
13、Hz)信号。 (5)变频器输入的开关量信号点：a.启动;b.停止;c.故障复位;d.急速停车;e.闸已打开;f.验带运行;g.中速运行;h.满速运行;i.加速时间1;j.加速时间2;k.加速时间3;l.减速时间1;m.减速时间2;n.减速时间3。其中i、j、k、l、m、n项通过变频器参数自行设定。 3.3试运行分析 1号长皮带设计驱动为1250kW电机，高差111m，由于皮带机较短，皮带下行角度大，设计时未考虑带编码器，通过变频器参数设置，采用开环标量掌握。调试和试生产期间，变频器对长皮带启动掌握不稳，简单造成皮带蠕动、叠带等现象。带载启动时，变频器内部的逆变功率器件损坏多次，每次损坏6块SG
14、CT功率器件。 2号长皮带布置为U字形，设计驱动电机安装编码器，调试带载启动时皮带有略微蠕动，带载停机时偶然有叠带现象。通过适当调整掌握程序和变频器参数，对凹弧段加密支架，带载启动、带载停机比较平稳，变频器一直未发生故障。经过对比分析，认为其最主要原因是电机未安装编码器，变频器在低速时默认电动状态;而实际上带料启动时，只要盘闸一松开，皮带机就自动下行，实际此时变频器应当拖住皮带，而不应当是电动状态。电机未安装编码器时，皮带上的料一定先清空然后再启动变频器。采用闭环矢量掌握比采用开环标量掌握能更好地满意低频率长皮带启动要求。通过对电机安装编码器后，采用闭环矢量掌握电机运转，变频器自动区分电动和发
15、电状态，带载启动过程平稳，未出现皮带蠕动或叠带等现象。自此变频器再也没有发生功率器件损坏记录。 变频器母线过电压，两条皮带变频器运行中出现变频器整流母线过电压报警，连续多次过压后造成变频器停止运行，皮带机跳停。针对该问题，调试专家通过示波器检测认为，整流移相变压器二次侧移相角有偏差，通过调整低压绕阻接线，保证低压各绕阻20移相角。通过检测整流变一、二次交流电压波形，满意变频器整流变移相角波形要求。经现场多次试机，到目前为止未出现整流器过电压故障。 4经济效益分析 该水泥厂矿山石灰石1号、2号输送皮带机使用了PowerFlex7000四象限运行的变频器，在皮带机运行时使得变频器长时间处于能量回馈
16、状态，将石灰石的势能通过电机和变频器转换的电能直接回馈到母线电网上，使得电流从电机侧经变频器送至电网。只有在皮带机运行初期阶段(即石灰石的势能未能驱动皮带)时，变频器才从电网上吸取电能;在皮带机正常运行和停止过程中，电机都处于再生发电状态(第四象限)。 使用PowerFlex7000四象限运行的高压变频器的1号、2号胶带机，电机可以自由从电动到发电两种状态的自由切换，并将石灰石的势能通过电机和变频器来转换成电能回馈到电网。1号、2号胶带机自20XX年12月投入使用，截至20XX年8月底，矿山1号皮带累计总回馈电网电量500390.0kWh，矿山2号皮带累计总回馈电网电量为910,557.4kWh。 - 9 -
高压变频器在大落差矿山皮带输送机驱动控制系统中的应用
