張 普

(北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010308)

0 前言

在露天煤礦長距離皮帶輸送系統(tǒng)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制是關(guān)系到整個(gè)皮帶輸送系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。對(duì)電機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、同步等控制技術(shù)要求高，控制邏輯及控制方式均復(fù)雜多變。因此，需要根據(jù)工藝生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性，經(jīng)過試驗(yàn)，科學(xué)設(shè)置相關(guān)技術(shù)參數(shù)，并對(duì)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)揮變頻技術(shù)的優(yōu)勢，合理進(jìn)行控制組態(tài)，形成了完整、可靠、成熟的控制方案，已經(jīng)成功地應(yīng)用在了北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司露天煤礦的地面生產(chǎn)系統(tǒng)中，達(dá)到了理想的效果，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

1 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶系統(tǒng)組成

以北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)105A/B皮帶機(jī)為例，皮帶生產(chǎn)出力為2000t/h。

105A/B皮帶機(jī)全長5000米，在皮帶機(jī)頭部附近設(shè)置2臺(tái)1120kW/690V變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，并在電機(jī)驅(qū)動(dòng)端設(shè)置電液制動(dòng)器及通過聯(lián)軸器設(shè)置三級(jí)減速器，保證皮帶最大運(yùn)行速度4m/s，并可連續(xù)可調(diào)。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出皮帶處設(shè)置液壓及絞車?yán)o裝置，保證皮帶松緊合適、運(yùn)行平穩(wěn)。

雙電機(jī)布置于同平面同側(cè)位置，減速器輸出軸驅(qū)動(dòng)2臺(tái)大型滾筒帶動(dòng)皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)，保證皮帶在2電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)下安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

2 電機(jī)控制邏輯

三相異步電動(dòng)機(jī)在接通電源瞬間，4極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速高達(dá)1500rpm，轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場的相對(duì)速度很高，故轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢和電流很大，從而定子電流也很大，可達(dá)額定電流的4－7倍，從機(jī)械特性上看，則在整個(gè)啟動(dòng)過程中，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩很大，所以啟動(dòng)時(shí)間很短。然而直接啟動(dòng)存在以下問題:

(1)啟動(dòng)電流大。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的容量較大時(shí)，其啟動(dòng)電流將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾;

(2)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的沖擊很大，影響機(jī)械的使用壽命。

采用變頻調(diào)速后，可通過降低啟動(dòng)時(shí)的頻率來減小啟動(dòng)電流。如:105皮帶電機(jī)在接通電源瞬間，將啟動(dòng)頻率降至5HZ，則同步轉(zhuǎn)速只有150rpm，轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場的相對(duì)速度只有工頻啟動(dòng)時(shí)的十分之一，同時(shí)，可通過逐漸增大頻率以緩解啟動(dòng)過程，在整個(gè)啟動(dòng)過程中，使同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速間的轉(zhuǎn)差限制在一定范圍內(nèi)，則啟動(dòng)電流也將限制在一定范圍內(nèi)。另一方面，也減小了啟動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，升速過程能保持平穩(wěn)，減小對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的沖擊。

105A/B電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分設(shè)備有電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、電機(jī)制動(dòng)器、減速機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、減速機(jī)潤滑油泵以及電機(jī)溫度、減速機(jī)溫度、油壓、過濾器差壓等控制和檢測信號(hào)。為保證主電機(jī)控制的可靠性和安全性，將主電機(jī)的控制回路單獨(dú)進(jìn)行組態(tài)，其它設(shè)備的控制亦單獨(dú)組態(tài)。并在PLC控制系統(tǒng)中采用不同的輸入輸出模塊進(jìn)行信號(hào)處理，避免信號(hào)的相互交叉和干擾，提供控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。

105A/B主電機(jī)啟?？刂苹芈分校趩?dòng)閉鎖回路增加事故急停按鈕、皮帶拉繩急停外部停機(jī)信號(hào)以及變頻器內(nèi)部保護(hù)信號(hào)。在停止聯(lián)鎖回路增加事故急停按鈕、皮帶拉繩急停外部停機(jī)信號(hào)以及變頻器內(nèi)部保護(hù)信號(hào)。事故緊急停機(jī)信號(hào)同時(shí)作用于105A/B主電機(jī)控制回路中，保證兩電機(jī)同時(shí)動(dòng)作。以達(dá)到在皮帶事故狀態(tài)下停止電機(jī)的運(yùn)行，保護(hù)皮帶系統(tǒng)人員及設(shè)備的安全。

3 變頻器調(diào)速應(yīng)用

在變頻器的應(yīng)用中，有很多場合需要進(jìn)行主從控制，當(dāng)一個(gè)傳動(dòng)設(shè)備是由兩個(gè)或多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，就需要通過主從控制來分配各個(gè)電機(jī)間的負(fù)荷使其達(dá)到均勻平衡，以滿足對(duì)傳動(dòng)點(diǎn)的控制精度。

主從應(yīng)用中主傳動(dòng)是典型的速度控制，而從傳動(dòng)是速度或者轉(zhuǎn)矩控制。

(1)當(dāng)主傳動(dòng)和從傳動(dòng)的電機(jī)軸通過齒輪或鏈條相互固定連接時(shí)，從傳動(dòng)與主傳動(dòng)之間不能有速度差，從傳動(dòng)使用轉(zhuǎn)矩控制，其工作時(shí)只負(fù)責(zé)輸出一定比例的轉(zhuǎn)矩以減少主傳動(dòng)的負(fù)荷，整個(gè)傳動(dòng)的速度控制由主傳動(dòng)來完成。

(2)當(dāng)主傳動(dòng)和從傳動(dòng)的電機(jī)軸通過傳輸帶等設(shè)備柔性連接時(shí)，從傳動(dòng)與主傳動(dòng)之間允許有細(xì)微的速度差，從傳動(dòng)使用速度控制。

(3)在一些特殊應(yīng)用中從傳動(dòng)既需要速度控制，也需要轉(zhuǎn)矩控制，原因是兩個(gè)電機(jī)軸工作時(shí)有的時(shí)候是硬性連接，有的時(shí)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(zé)任公司露天煤礦的地面生產(chǎn)系統(tǒng)，因?yàn)楣に噷?duì)異步電機(jī)的同步控制要求非常高，使用的是兩臺(tái)電機(jī)控制同一條皮帶(柔性連接)，所以采用的是轉(zhuǎn)矩同步。

主從控制的關(guān)鍵技術(shù)問題是如何把主傳動(dòng)的速度信號(hào)或轉(zhuǎn)矩信號(hào)高速和精確地傳送到從傳動(dòng)變頻器，實(shí)現(xiàn)方法因產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)不同會(huì)有所差別，并且在各種應(yīng)用場合中由于傳動(dòng)控制精度的要求不同也可以通過不同的方法來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)魏家峁煤礦實(shí)際運(yùn)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(shí)現(xiàn)方法及其控制特點(diǎn)。

通過模擬量輸入輸出口(AI/AO)連接實(shí)現(xiàn)主從控制。Power Flex700S型變頻器的控制板上集成有可編程的兩個(gè)回路的AI(模擬量輸入口)和兩個(gè)回路的AO(模擬量輸出口)，在主從應(yīng)用中主傳動(dòng)的速度或轉(zhuǎn)矩信號(hào)可以通過AO口轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4＆20mA信號(hào)輸出，而從傳動(dòng)則是通過AI口接收主傳動(dòng)發(fā)來的速度或轉(zhuǎn)矩給定值，這樣就可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的主從控制應(yīng)用。

在主傳動(dòng)中可以應(yīng)用Power Flex700S型變頻器內(nèi)的965參數(shù)，由內(nèi)部把速度轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)當(dāng)作從傳動(dòng)的給定值，連接到929參數(shù)中。在從傳動(dòng)中若其是作為速度控制則把模擬輸入口數(shù)據(jù)值通過光纖連接到速度給定連接量27參數(shù)中，若其是作為轉(zhuǎn)矩控制則把數(shù)據(jù)值通過光纖連接到轉(zhuǎn)矩給定連接量319參數(shù)中，或者也可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再連接到相應(yīng)的連接口。至于變頻器的運(yùn)行命令或聯(lián)鎖控制則可以通過變頻器的數(shù)字量輸入/輸出接口來實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)主從控制。其控制特點(diǎn):簡單實(shí)用，不需要投入其他的硬件設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(yīng)時(shí)間為5mS左右，若是增加軟件濾波時(shí)間則響應(yīng)時(shí)間也會(huì)跟著增加，此方法對(duì)于速度較低、控制精度要求不是很高的主從控制來說相當(dāng)方便實(shí)用，其主要的缺點(diǎn)是模擬信號(hào)較容易受電磁干擾，并且A/D和D/A轉(zhuǎn)換器也會(huì)有零點(diǎn)漂移，在實(shí)際應(yīng)用中需要特別注意。

(1)通過通訊模塊連接實(shí)現(xiàn)主從控制

Power Flex700S型變頻器的控制板上兩個(gè)有用于擴(kuò)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過PLC完成兩臺(tái)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(yīng)用中主從傳動(dòng)的速度或轉(zhuǎn)矩分配是由PLC來完成，PLC根據(jù)兩個(gè)傳動(dòng)的控制特點(diǎn)把計(jì)算好的速度或轉(zhuǎn)矩值周期性地發(fā)送給變頻器，變頻器根據(jù)接收到的控制命令和給定值進(jìn)行高精度的速度或轉(zhuǎn)矩控制。控制特點(diǎn):controlNer是一控制層網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)的傳送速率快，Power Flex700S變頻器通過通訊方式可以進(jìn)行32位的數(shù)據(jù)處理，通過PLC的控制兩臺(tái)變頻器可以實(shí)現(xiàn)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(tái)變頻器的運(yùn)行命令和速度或轉(zhuǎn)矩給定值實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間接收，從而實(shí)現(xiàn)高精度和響應(yīng)快的主從控制。該種控制方式要求為每臺(tái)變頻器配置一塊controlNer通訊模塊，并且需要對(duì)PLC等上位機(jī)進(jìn)行軟件編程才能實(shí)現(xiàn)控制。所以特別適合在已經(jīng)配置有controlNer通訊網(wǎng)絡(luò)的大中型傳動(dòng)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?yàn)榇嬖谝恍C(jī)械誤差，電機(jī)誤差，機(jī)械磨損等因素，使電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間啟動(dòng)困難等問題。如果主從電機(jī)的線速度相差很大，就會(huì)造成其中速度快的電機(jī)出力過大，使出力大的電機(jī)帶著出力小的電機(jī)運(yùn)行，出力小的電機(jī)按著自己的速度運(yùn)行，抵制出力大的電機(jī)快速運(yùn)行，導(dǎo)致皮帶過緊，這種情況在實(shí)際生產(chǎn)中是不允許的，因?yàn)檫@會(huì)造電機(jī)發(fā)熱燒毀或皮帶撕裂等，造成經(jīng)濟(jì)損失，影響企業(yè)的效益。

在電源進(jìn)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(chǎn)生12脈沖的電壓信號(hào)，改善電源波形，減少對(duì)供電系統(tǒng)的諧波干擾。變壓器副邊采用高阻接地，以保護(hù)變頻器的安全運(yùn)行。

兩臺(tái)主電機(jī)的同步控制是通過105aVFD03柜與105bVFD03變頻器控制柜通信方式實(shí)現(xiàn)的。我們?cè)O(shè)定了以105a電機(jī)為主方式，105b電機(jī)為跟蹤方式。在105aVFD03柜中設(shè)置好頻率給定方式、頻率速率、頻率上下限等主要技術(shù)參數(shù)以及電機(jī)功率、額定轉(zhuǎn)速、電流等設(shè)備參數(shù)。

在未連接減速機(jī)及皮帶的狀態(tài)下，分別對(duì)105a、105b電機(jī)進(jìn)行了單電機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)。經(jīng)過多次模擬試驗(yàn)，確定變頻器及電機(jī)的最小、最大運(yùn)行頻率，以及加減速運(yùn)行速率、運(yùn)行曲線等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。在單電機(jī)運(yùn)行方式下，未進(jìn)行兩臺(tái)電機(jī)的同步試驗(yàn)，因?yàn)閮膳_(tái)電機(jī)之間沒有聯(lián)系，電機(jī)轉(zhuǎn)矩亦很小，不能作為參考數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步。

為確保兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)同步，在接入減速機(jī)及空皮帶情況下，重新核實(shí)變頻器所有設(shè)置參數(shù)，確認(rèn)無誤后，進(jìn)行空載試驗(yàn)。首先，在未投入轉(zhuǎn)矩平衡狀態(tài)下，投入轉(zhuǎn)速平衡功能，掌握主副電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，觀察輔電機(jī)的跟蹤特性，在不同的給定轉(zhuǎn)速情況下，匯出副電機(jī)的跟蹤曲線，進(jìn)行分析判斷。最終確定皮帶空載情況下變頻器的最佳設(shè)置參數(shù)1。其次，在在未投入轉(zhuǎn)矩平衡狀態(tài)下，投入轉(zhuǎn)速平衡功能，掌握主副電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，觀察輔電機(jī)的跟蹤特性，在不同的給定轉(zhuǎn)速情況下，匯出副電機(jī)的跟蹤曲線，進(jìn)行分析判斷。最終確定皮帶空載情況下變頻器的最佳設(shè)置參數(shù)2。結(jié)合上述兩種運(yùn)行方案，確定在皮帶空載情況下最優(yōu)設(shè)置參數(shù)，投入運(yùn)行試驗(yàn)。經(jīng)過24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行考驗(yàn)，在0、25%、50%、75%、100%各工況下，變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足生產(chǎn)需要，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靈活、跟蹤情況良好、啟停特性優(yōu)異，充分發(fā)揮了變頻器的優(yōu)良性能，為皮帶系統(tǒng)的安全運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通過皮帶系統(tǒng)帶負(fù)荷試驗(yàn)，變頻器在空負(fù)荷、半重載、重載情況下運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)生兩電機(jī)異步運(yùn)行帶來的皮帶拉扯及撕裂現(xiàn)象，保證了地面生產(chǎn)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

變頻器在大功率雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，解決了在長皮帶輸送生產(chǎn)系統(tǒng)中平穩(wěn)啟動(dòng)、停止及安全運(yùn)行的問題，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷調(diào)整的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

變頻器在北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司露天煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用，有效解決了雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的技術(shù)難題，避免兩臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的不平衡，從而造成皮帶拉扯撕裂現(xiàn)象的發(fā)生，保證了皮帶系統(tǒng)的長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。