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(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

“十二五”期間，國家進一步加大了節(jié)能降耗的力度，各類行業(yè)都在響應(yīng)國家號召“節(jié)能減排”，水泥廠作為傳統(tǒng)的耗能大戶也采取了各種節(jié)能措施，其中變頻器在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用是推廣力度較大的措施之一。變頻調(diào)速作為先進的節(jié)能調(diào)速設(shè)備，因其節(jié)能效果明顯、性價比高，逐步成為水泥行業(yè)節(jié)能的主流。

1 帶式輸送機變頻控制

輸送帶是帶式輸送機的主要組成部分，由于皮帶是有彈性的，它在靜止或者運行時會貯存大量的能量。在輸送機滾筒旋轉(zhuǎn)起動過程中，拖動皮帶會產(chǎn)生張力波，沿著皮帶把能量釋放出去，若張力過大可能會造成皮帶斷裂。所以，帶式輸送機起動時需要加設(shè)軟起動裝置。目前，液力偶合器是應(yīng)用較多的軟起動裝置之一。

液力偶合器作為傳統(tǒng)皮帶的啟動方式，存在著以下問題：

(1)直接起動時，起動電流為電機額定電流的4～7倍，電機瞬時啟動造成的機械應(yīng)力大，短時發(fā)熱嚴重，嚴重影響電機的使用壽命；啟動過程還會拉低電網(wǎng)電壓，甚至造成其他電氣設(shè)備不能正常運行。因此，對于功率較大的電機必須采用軟起動裝置。

(2)采用液力偶合器時，皮帶啟動時間較短，造成皮帶的張力較大，容易發(fā)生皮帶撕裂。

(3)一般皮帶傳送距離較長，通常采用多電機驅(qū)動，在皮帶不同位置的多臺電機采用液力偶合器同時啟動，會造成電機驅(qū)動時的功率不平衡。

伴隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)的發(fā)展突飛猛進，變頻器產(chǎn)品也發(fā)生了深刻變化。目前，變頻器在生產(chǎn)企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，許多水泥企業(yè)采用變頻器控制取代傳統(tǒng)的控制方式，其經(jīng)濟效益與社會效益很明顯。

2 系統(tǒng)介紹

山西省某水泥廠的皮帶運輸系統(tǒng)為：石灰石經(jīng)顎式破碎機破碎后，運輸至預(yù)均化堆料庫，運輸皮帶全長4.2km，輸送能力為100t/h，帶速為1.25m/s，系統(tǒng)驅(qū)動裝置采用同軸兩臺132kW電機滾筒驅(qū)動加1臺132kW電機控制，采用機尾重載張緊。原系統(tǒng)通過液力偶合器驅(qū)動控制，設(shè)備維護工作量大，自動化程度落后，決定采用變頻技術(shù)進行改造?，F(xiàn)場電動機布置驅(qū)動方式見圖1。

圖1 現(xiàn)場電動機布置驅(qū)動方式

3 變頻系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 采用變頻技術(shù)改造需解決的問題

該廠采用變頻改造需要考慮的問題是：必須確保3臺電機的轉(zhuǎn)矩平衡，并且速度同步，同時能夠滿足重載起動。

(1)解決多臺電機力矩及速度平衡問題。每一組電機內(nèi)部力矩平衡是多電機驅(qū)動需解決的最主要的問題，負載變化、電機參數(shù)及皮帶松緊等因素，都會對電機的速度和出力產(chǎn)生擾動性影響。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定地工作，幾臺電機必須保持一致的速度，同時盡可能保持均勻的出力。

(2)皮帶重載啟動問題。在皮帶工作過程中，可能會因各種原因致使皮帶突然停車，這時皮帶上就會有很重的負載，如果這時啟動皮帶，就會使電機的出力超出正常出力，因此必須做到低速、緩慢地啟動，降低加速度，以便不使皮帶打滑或撕裂。

3.2 解決措施

(1)針對長距離膠帶輸送機剛性與柔性相結(jié)合的特點，通過對不同方案進行論證，采用矢量控制的變頻器是最合適的。

矢量控制是通過電磁矢量對電機進行控制，以達到高調(diào)速精度、高力矩、高響應(yīng)速度的目的。矢量控制現(xiàn)在已非常成熟，在實際使用中，可分為“帶速度傳感器矢量控制”和“無速度傳感器矢量控制”。尤其是無速度傳感器矢量控制技術(shù)，在很多工業(yè)控制場合均得到了應(yīng)用。

在該項目中，由于是大力矩重載啟動，需要很好的控制技術(shù)來實現(xiàn)。而其他的控制技術(shù)必須通過有速度傳感器的速度閉環(huán)來控制，否則就會出現(xiàn)低速脈動轉(zhuǎn)矩，使皮帶出現(xiàn)振顫現(xiàn)象，會降低啟動力矩。而皮帶的工作環(huán)境相對較差，增加速度碼盤就增加了一個故障點，致使系統(tǒng)的可靠性下降。無速度傳感器矢量控制技術(shù)恰好適合于該應(yīng)用場合，既可以解決重載啟動問題，又可使系統(tǒng)更簡化，減少故障點，提高可靠性，使整個系統(tǒng)因為故障停運的時間大大減少。所以，矢量控制技術(shù)是皮帶傳動的最佳技術(shù)方案。

(2)力矩平衡控制方式。多臺變頻器驅(qū)動電機控制皮帶的情況，通常采用“主-從”控制方式來實現(xiàn)力矩及速度平衡。其中1臺變頻器作為主傳動，采用閉環(huán)速度控制模式；其余變頻器接收主變頻器的力矩信號，采用閉環(huán)力矩控制方式(見圖2)，PLC與各主從驅(qū)動間采用PROFIBUS-DP實現(xiàn)通訊。

3.3 控制方式

(1)就地控制。在就地控制方式下，通過操作臺上的起動按鈕控制，可控制現(xiàn)場皮帶起、停及3臺電機的力矩和功率平衡，實現(xiàn)皮帶機的連鎖起?？刂乒δ埽鼐€皮帶保護均可投入。

(2)自動方式。在自動工作方式下，整個系統(tǒng)的控制權(quán)交給了前級或地面總控室，由前級或地面總控室發(fā)出指令，完成皮帶系統(tǒng)的起?？刂?，自動實現(xiàn)皮帶機的力矩及功率的平衡，整個系統(tǒng)保護均投入工作。

圖2 3臺變頻器分別控制3臺電動機驅(qū)動

(3)檢修方式。在檢修方式下，皮帶機進入低速驗帶的工作方式，速度<0.2m/s，以便于檢修人員認真檢查，同時，各種保護可選擇性地投入運行。

(4)手動方式。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，皮帶可單臺進行手動控制，沿線保護不參與工作，只保留停車保護。

4 改造效果

變頻器在水泥廠帶式輸送機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，既解決了原有系統(tǒng)存在的問題，同時在節(jié)能等方面也體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。

(1)實現(xiàn)了帶式輸送機系統(tǒng)的軟起動，減少了設(shè)備投資與維護量。變頻器的起動時間可以根據(jù)現(xiàn)場工況調(diào)整，皮帶機起動時間通常在60～200s內(nèi)設(shè)定，延長皮帶機的起動時間后，電機慢速起動。皮帶隨著電機運行速度的提高，皮帶逐步張緊，避免了皮帶撕裂，因而可降低對皮帶的要求，節(jié)約了設(shè)備投資。另外，在正常維護下，變頻器工作壽命很長，這也大大降低了設(shè)備的維護量。

(2)實現(xiàn)了多個電機拖動皮帶時的速度與功率的匹配。在變頻控制中，變頻器采用“主-從”控制模式，實現(xiàn)了各個電機的功率平衡。負載較輕時，兩臺電機電流相差4A，額定負荷時大約相差2A。

(3)系統(tǒng)的功率因數(shù)提高。在電機選型時，通常情況下是按照滿載工作的情況確定，余量較大，而實際上電機往往達不到滿載負荷工作。根據(jù)電機的運行特點，工作在額定負載時效率最高，而當(dāng)負載輕時，勵磁電流的無功分量形成旋轉(zhuǎn)磁場，拖動負載的有功分量很小，導(dǎo)致功率因數(shù)較低。采用變頻器驅(qū)動電機的功率因數(shù)可達0.9以上，降低了無功功率。

(4)系統(tǒng)的效率提高。采用變頻器驅(qū)動之后，電機與減速器之間是通過齒輪硬連接，中間減少了利用液力偶合的緩沖環(huán)節(jié)。液力偶合器是通過高速液體進入渦輪后產(chǎn)生的推動力傳遞能量，由于液體的傳動效率低，改用變頻器驅(qū)動控制減速器的傳遞效率比液力偶合器驅(qū)動可提高10%以上。

此外，水泥生產(chǎn)企業(yè)一般距離供電公司較遠，電壓波動幅度較大，通過變頻器交直整流回路可穩(wěn)定電壓，也能起到一定的節(jié)能作用。

5 結(jié)語

運用變頻技術(shù)改造帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)是一種發(fā)展趨勢，隨著變頻技術(shù)的進一步發(fā)展，變頻器終將取代液力偶合器在帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)中的位置，大量的應(yīng)用實例也已經(jīng)說明了這一點。