应用领域：矿山
关键字：磁链闭环、皮带机、主从控制、软启动、节能
摘要：本文介绍了汇川HD92皮带机专用高压变频器在宁夏某煤矿主井（斜井）皮带机上的应用。并从电气 原理、性能、节能分析等各方面对高压变频器在皮带机上的应用做总结。
一、概述
皮带输送机是煤矿最理想的高效连续输送设备，是煤矿开采机电一体化技术与装备的关键设备，是煤矿斜井生产的重要传送设备。国内煤矿的高压电机拖动的皮带机一般都采用工频拖动，并在电机和减速机之间加装液力耦合器，液力耦合器通过勺管来改变涡轮与泵轮之间油腔的油量多少来调速，达到软起、软停、调试的目的。但液力耦合器是机械设备，不可能精确的调整油腔的油量，更不能使两台电机无论在启动、停止还是在运行中达到转速一致、转矩相同、功率平衡的目的；而变频器完全可以解决这个问题，液力耦合器属于低效调速设备，在调速的过程中转差功率以热能的形式损耗在油中。这不仅消耗了能量，而且使液力耦合器油温升高，为此必须采取妥善的冷却方式，特别是在环境温度较高的场合应用，对冷却的要求更高，在夏季不得不采取不间断的冲水冷却等措施，即使如此，有时仍会因温度过高，威胁到液力耦合器安全时，不得不停机，以使温度降下来。所以高压变频器在皮带机上取代液力耦合器是必然的趋势。
二、设备概况
某煤矿皮带机输送系统主要有皮带机、抱闸、减速机、逆止器、皮带、皮带秤、抓捕器、拉线急停、跑偏传感器等组成。
1、皮带机
皮带长800米，宽1.5米。2台电机，拖动直径1.2米的驱动滚筒。速度3/S米，两个驱动滚筒都在机头。距离较近为钢性连接。
2、驱动电机
三相异步电机
功率450KW
电机电压10KV
电机额定电流32.5，
功率因数0.84，
转速1450R/MIN
3、抱闸器（电力液压驱动器）：额定推力1250N,功率560W，
4、减速机：西门子生产行星式减速机。功率500KW,N1=1500，N2=42.38。
三、煤矿皮带机变频调速系统方案设计
皮带机多机变频调速系统的核心问题是皮带系统中各电机的转速和转矩平衡问题。在实际应用中，根据现场工艺不同，可以选择不同的变频控制方案。
1.“一拖二”方案
此方案是采用一台变频器同时拖动两台电机运行，将各个电机定子绕组接线直接并联接在一台变频器输出测。“一拖二”方案中，变频器无法对电机的转矩进行独立的控制，因此各电机的出力由电机的参数和皮带参数决定；其中，影响电机功率平衡的主要因素是电机的参数差异和拖动滚筒及皮带的包络角差异；正常情况下，包络角的大小只存在设计及加工上的差异，但是当系统正常运行后，由于提升的货物是潮湿的，皮带在卸货物后，上面仍残留一些煤渣，这时候转到拖到滚筒上，就会使拖动滚筒直径变大；误差越大，系统中电机的功率差异就会越大。
采用“一拖二”方案有以下弊端
1）变频器不能有效的分配两台电机的功率，达到功率平衡的目的；
2）变频器不能有效的保护每一台电机，因为一台变频拖动两台电机，我们在设置过流保护值时，如果按照单台设定，如果电机负载大或是负载波动比较大时，会因为过流故障停机，更严重的是根本启动不了皮带机。如果按照两台电机的保护设定过流值，达不到保护电机的目的。如果为电机分别安装保护柜的话，不但增加费用，而且连锁复杂。
2.“主从控制”方案
此方案采用两台变频器分别拖动两台电机（或者多台），将各个电机定子绕组直接分别接在相应的变频器输出侧，主从同步控制运行变频系统是由完全独立的两台变频器通过主、从机的同步CAN总线通讯方式保证双电机的转速一致，功率平衡。高压变频器采用主从控制方案，三环控制模式，主机采用转速控制，从机采用转矩控制。主机通过CAN通讯实时采集从机电流信号、电压信号、频率信号，实时调整给从机的转矩信号，使主机和从机的功率达到完美的平衡。
当其中一台变频器出现故障时，系统不停机，故障变频器自动转到工频，控制器继续采集工频电机的电流、电压反馈给变频器，采用单频转矩调整控制模式，工频电机为主机，变频电机为从机，变频器50HZ运行，自动调整转矩，使输出转矩与工频电机转矩一致，功率平衡。如果工频电机出现故障时，故障跳高压开关柜后，变频器采用模糊控制也就是自适应控制方式，变频器不停机，迅速降低转速，转矩补偿。
用户控制命令源，采用多段速与模拟量设置相结合。变频器DI点开关量输入，当用户选择多段速控制时，DI为常开点；当用户选择模拟量设定频率控制时，DI点为常闭点。
3.高压变频器高压系统方案
高压变频器采用自动旁路柜，一拖一方案。自动旁路可以选择远方和就地控制切换。
4.皮带机保护
皮带机保护有双向拉绳急停保护，速度开关保护，温度保护，烟雾保护、纵向撕裂保护，两级跑偏开关保护，堵煤开关保护，超温洒水。HD92皮带机专用高压变频器预留了皮带机保护的专用接口，可以通过通讯上传故障，也可以通过端子排做皮带机和高压变频器的故障连锁，只需把所有的保护信号上传 ，高压变频器可以对皮带机做实时的监控。HD92具备如下保护：
1）跑偏保护
2）堆煤保护
3) 速度保护
4) 纵撕保护
5) 其它设备保护
四、汇川技术HD92皮带机专用高压变频器的优势
4.1汇川技术HD92系列高压变频器技术特点
汇川HD92系列高压变频器以高速浮点DSP为控制核心，采用矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标远小于IEE519-1992的谐波国家标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。HD92高压变频器除具有一般普通变频器的性能外，还具有以下突出特点：
(1)采用高速DSP+RAM+FPGA作为核心处理器，运算速度更快，控制更精准。
(2)飞车启动功能。能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接启动。
(3)完整的工频/变频自动互切技术。汇川技术提供的自动旁路切换柜，不仅可实现变频故障情况下自动由变频转换至工频运行状态，还可实现在变频检修完毕后由工频瞬间转换至变频运行的功能，整个转换过程不会对用户设备的运行造成任何影响。
(4) 矢量控制方式，低频时可输出大转矩。
(5) 具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。汇川变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生。
(6)多机主从控制，功率均衡。皮带机不管是启动还是运行过程中，电机是相同的电流，相同的转矩，不会出现一电机过载，一台电机轻载的问题，而且具有软起动的功能，启动时电流不超过电机的额定电流，减小电机在启动瞬间对绝缘的损坏。对电机的轴承的机械冲击减小。
（7）具有单变频主从控制模式，当一台变频器出现故障时，故障机器自动切换到工频，工频电机为主机，变频电机为从机。变频电机根据采集到工频电机的电流、电压量实时调整自身转矩输出，主从控制达到功率平衡。
（8）非对称旁路技术为提升机的稳定运行提供可靠保障（选配）
当其中某个单元出现故障后，如果单元具备旁路功能，通过非对称旁路技术可以使系统不停机运行。功率单元旁路采用机械式接触器方式，并且专门为其设计了一套功率单元旁路控制系统，一旦功率单元故障，旁路系统均能正确安全的旁路。
4.2 使用效果
使用HD92高压变频器后，根据现场实测空载启动、停止、运行；轻载时启动、停止运行以及重载时启动、停止运行的波形，可以看出此皮带机运行平稳，完全满足设计要求。实现了皮带机低频大转矩能力，把运行过程荷载变化对设备的影响降到最低，实现皮带机系统完美控制运行。
图5 现场HD92高压变频器照片
五、结束语
HD92高压变频器为汇川技术大传动产品线开发生产的高性能高压变频器，其具备磁链闭环矢量控制算法，多个现场的使用表明，完全可以满足皮带机应用的要求。特别是HD92高压变频器的多机高速通讯方案，为皮带机多机功率平衡提供了完美的解决方案。
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