李淑清

(中冶京誠(chéng)(秦皇島)工程技術(shù)有限公司， 河北 秦皇島 066004)

S120變頻調(diào)速裝置在下行膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

李淑清

(中冶京誠(chéng)(秦皇島)工程技術(shù)有限公司， 河北 秦皇島 066004)

新疆阿克薩依鐵礦下行膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)用變頻器驅(qū)動(dòng)下行膠帶輸送機(jī)帶發(fā)電機(jī)運(yùn)送礦石，將制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的再生能量回饋到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，可回收大量的電能，降低生產(chǎn)成本。

下行膠帶輸送機(jī); 四象限變頻； 電能回饋

1 工程概況

阿克薩依鐵礦區(qū)位于新疆阿吾拉勒山分水嶺南側(cè)，區(qū)內(nèi)山巒綿延疊壘，山勢(shì)陡峭，海拔2 550～3 330 m，相對(duì)高差780 m，總體屬中高山區(qū)。礦山采用露天開(kāi)采方式，露天開(kāi)采最高標(biāo)高為3 348 m，封閉圈標(biāo)高2 844 m，露天底標(biāo)高為2 784 m。設(shè)計(jì)采用采場(chǎng)內(nèi)汽車(chē)—溜井—井下破碎—膠帶斜井聯(lián)合開(kāi)拓運(yùn)輸方案，礦石通過(guò)長(zhǎng)距離膠帶運(yùn)送至選礦廠旁儲(chǔ)礦堆場(chǎng)，標(biāo)高1 576 m；長(zhǎng)距離膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)采用地下斜井與地上通廊相結(jié)合的布置方案，地下斜井可避開(kāi)地形條件復(fù)雜地區(qū)，進(jìn)入平緩地區(qū)后轉(zhuǎn)入地上膠帶輸送。礦石輸送系統(tǒng)膠帶機(jī)角度為-8°～-12°，總水平運(yùn)輸距離6 067 m，總高差824 m ，設(shè)3條膠帶機(jī)。礦石經(jīng)井下破碎硐室破碎后，經(jīng)過(guò)1號(hào)斜坡道內(nèi)的膠帶機(jī)到1號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站，該膠帶機(jī)角度-8°，水平運(yùn)輸距離2 180 m,高差307 m，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率690 V 1 000 kW；再經(jīng)過(guò)2號(hào)斜坡道的膠帶機(jī)運(yùn)至轉(zhuǎn)運(yùn)硐室，該膠帶機(jī)角度-8°，水平運(yùn)輸距離1 437 m, 高差187 m，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率690 V 630 kW；然后由3號(hào)膠帶機(jī)(地表通廊)運(yùn)至選礦廠礦石堆場(chǎng)，該膠帶機(jī)中間經(jīng)過(guò)半徑1 000 m的平面轉(zhuǎn)彎，高差330 m，水平運(yùn)輸距離2 450 m，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率690 V 630 kW。膠帶機(jī)寬度為1.2 m。帶式輸送機(jī)全載向下自動(dòng)運(yùn)行,膠帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置和制動(dòng)裝置均設(shè)在輸送機(jī)尾部，輸送帶拉緊裝置設(shè)在靠近輸送機(jī)頭部。

2 膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行控制

長(zhǎng)距離運(yùn)輸系統(tǒng)膠帶屬于大慣性負(fù)載，啟動(dòng)力矩大。為了保證帶式輸送機(jī)安全、平穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)采用SⅠNAMⅠCS S120變頻調(diào)速裝置，該裝置可按預(yù)設(shè)曲線準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)可控軟啟動(dòng)和軟停車(chē)，以實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)安全平穩(wěn)，減少對(duì)設(shè)備和輸送帶的沖擊；對(duì)各瞬態(tài)速度、力矩的控制反應(yīng)快速且穩(wěn)定，最大限度地降低了膠帶的張力，從而為安裝、調(diào)試、檢修、慢速驗(yàn)帶提供了條件。

2.1 S120變頻器工作原理

SⅠNAMⅠCS S120變頻器采用交—直—交電壓源型主電路結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)通過(guò)以鍵盤(pán)智能控制芯片HD7279A為核心的鍵盤(pán)輸入系統(tǒng)運(yùn)行所需參數(shù)(頻率也可以通過(guò)模擬給定)，再通過(guò)DSP實(shí)時(shí)計(jì)算出脈寬，最終將PWM信號(hào)通過(guò)外圍驅(qū)動(dòng)電路，轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動(dòng)功率模塊IPM的信號(hào)控制逆變器的輸出。同時(shí)DSP通過(guò)采樣電路對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣，一方面監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)供LED顯示，另一方面還實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)故障，以便能及時(shí)地加以保護(hù)并診斷故障原因?？刂菩酒且訲I公司的TMS320LF2407A DSP為控制核心，硬件電路分為主電路、控制電路、采樣檢測(cè)及保護(hù)電路部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

TMS320LF2407A采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，25 ns指令周期，速度為40 MIPS，低電壓3.3 V設(shè)計(jì)；總尋址范圍192 K字，其中包括64 K程序空間,64 K數(shù)據(jù)空間,64K I/O空間；片內(nèi)程序空間集成32 K字Flash；數(shù)據(jù)空間集成2.5 K字RAM，包括544字DARAM，2 K字SARAM；兩個(gè)事件管理模塊EVA、EVB，分別提供兩個(gè)16 bit全局計(jì)數(shù)器，8個(gè)脈沖寬度可調(diào)調(diào)制通道PWM，三個(gè)外部事件的定時(shí)采樣捕獲單元；同步的16通道高性能10 bit ADC，轉(zhuǎn)換速率為500 ns；串行異步通信接口(SCI)、串行同步外設(shè)接口(SPI)、CAN總線2.0接口。由于TMS320LF2407A集成了多種數(shù)據(jù)傳輸接口，并且片內(nèi)集成ADC模塊，滿足長(zhǎng)距離膠帶輸送機(jī)下列運(yùn)行控制原則：

(1)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)前，輸送系統(tǒng)在帶式輸送機(jī)沿線自動(dòng)發(fā)出啟動(dòng)預(yù)告信號(hào)。

(2)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)、正常停機(jī)，緊急停機(jī)分別設(shè)置不同的加、減速度，使整個(gè)輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟制動(dòng)。

(3)系統(tǒng)的各種保護(hù)開(kāi)關(guān)具有位置識(shí)別功能，可以迅速準(zhǔn)確定位故障地點(diǎn)和故障類型。

(4)具有集中遙控、就地自動(dòng)、就地手動(dòng)等多種控制方式。

(5)具有低速運(yùn)行方式驗(yàn)帶功能，驗(yàn)帶速度可設(shè)定。

(6) 輸送系統(tǒng)啟動(dòng)，設(shè)備從末端膠帶機(jī)開(kāi)始按所選流程逆料流方向逐一順序啟動(dòng)，停機(jī)時(shí)從礦源設(shè)備開(kāi)始順料流方向逐一按預(yù)定延時(shí)順序停止。

(7)在程序自動(dòng)和聯(lián)鎖手動(dòng)方式下，當(dāng)任一運(yùn)行的設(shè)備出現(xiàn)故障或事故時(shí)，如現(xiàn)場(chǎng)急停(拉繩)、保護(hù)跳閘、持續(xù)一定時(shí)間的跑偏、打滑或堵料時(shí)，立即停止事故設(shè)備的運(yùn)行，同時(shí)聯(lián)鎖逆料流方向的所有設(shè)備。當(dāng)按下操作臺(tái)上“緊急停機(jī)”按鈕時(shí)，所有運(yùn)行設(shè)備立即停止運(yùn)行。

2.2 膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)保護(hù)設(shè)施

為實(shí)現(xiàn)膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置以下保護(hù)設(shè)施：

(1)膠帶打滑檢測(cè)、保護(hù)。

(2)機(jī)頭卸料、轉(zhuǎn)載處堵料保護(hù)。

(3)膠帶縱向撕裂保護(hù)。

(4)膠帶沿線二級(jí)跑偏保護(hù)(能識(shí)別沿線跑偏的具體位置，分報(bào)警和停機(jī)兩級(jí)保護(hù))。

(5)膠帶沿線拉繩急停閉鎖保護(hù)(能識(shí)別沿線急停閉鎖的具體位置)。

(6)電機(jī)三相繞組溫度、軸承檢測(cè)及溫度保護(hù)。

(7)驅(qū)動(dòng)滾筒兩端軸承溫度監(jiān)測(cè)保護(hù)。

3 能量回饋

下行膠帶在啟動(dòng)、無(wú)負(fù)荷和輸送負(fù)荷較少時(shí)，變頻器從供電回路取電后給電機(jī)供電，此時(shí)電機(jī)做正功與一般的變頻調(diào)速系統(tǒng)完全相同；當(dāng)負(fù)荷達(dá)到一定量時(shí)，電機(jī)做負(fù)功率，處于發(fā)電狀態(tài)。設(shè)計(jì)采用四象限運(yùn)行的有源整流/回饋柜(ALM+AIM)+逆變柜。在速度控制及需要減速制動(dòng)時(shí)，整流/回饋柜可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)再生回饋制動(dòng)功能，在正常工作狀態(tài)時(shí)，整流通過(guò)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，再生回饋時(shí)，通過(guò)ⅠGBT實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)換流，并提供100%連續(xù)的再生能量回饋電網(wǎng)。

3.1 四象限運(yùn)行的有源整流/回饋柜

有源型電源是可控整流/回饋裝置，用于高動(dòng)態(tài)性和高穩(wěn)定性要求的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其輸出直流電壓的平均值及極性可以通過(guò)控制元件的導(dǎo)通狀況而得到調(diào)節(jié)，在這種電路中，功率既可以由電源向負(fù)載傳送，也可以由負(fù)載反饋給電源。它的四象限運(yùn)行，可向電網(wǎng)回饋能量；直流母線電壓恒定，適合于高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用；運(yùn)行可靠性高，有一定耐受電網(wǎng)電壓跌落能力，變頻器的主回路如圖2所示。

圖2 變頻器主回路圖

3.2 回饋能量計(jì)算

1號(hào)膠帶：

膠帶機(jī)輸送能力為1 000 t/h，膠帶負(fù)力運(yùn)行時(shí)物料向下運(yùn)動(dòng)位能變化產(chǎn)生的勢(shì)能為(忽略摩擦阻力)：

W=mgh=1 000×9.8×307=3 008 600 kJ

假設(shè)該勢(shì)能經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)全部轉(zhuǎn)換為電能，電力(當(dāng)量)t=3 600 kJ/kW·h，則適配的電機(jī)功率為：

P=W/t=3 008 600/3 600=836 kW

因此，1號(hào)膠帶機(jī)發(fā)電功率為836 kW。

同理，計(jì)算2號(hào)膠帶機(jī)發(fā)電功率為966 kW，3號(hào)膠帶機(jī)發(fā)電功率為925 kW。

4 通訊網(wǎng)絡(luò)

SⅠNAMⅠCS S120變頻調(diào)速裝置采用全新DRIVE-CLIQ通訊連接，DRIVE-CLIQ是連接SⅠNAMⅠCS S120系統(tǒng)不同組件的通訊系統(tǒng)。它的特點(diǎn)是：(1)可通過(guò)控制單元自動(dòng)識(shí)別組件；(2)所有組件上接口統(tǒng)一；(3)可對(duì)組件進(jìn)行診斷和維修。

變頻調(diào)速裝置與外部通訊采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線模式，在該模式下，把變頻調(diào)速裝置作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)DCS(PLC)進(jìn)行控制字與狀態(tài)字的交換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。還可以采用高速工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET與普通的工業(yè)以態(tài)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)TCP IP實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，速率可達(dá)全雙工100 Mbps。

5 應(yīng)用實(shí)踐

阿克薩依鐵礦三條礦石輸送膠帶機(jī)均采用SⅠNAMⅠCS S120變頻調(diào)速裝置運(yùn)行，以1號(hào)膠帶為例，該膠帶機(jī)角度-8°，水平運(yùn)距2 180 m,高差307 m，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率690 V 1 000 kW。帶式輸送機(jī)全載向下自動(dòng)運(yùn)行,膠帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置和制動(dòng)裝置均設(shè)在輸送機(jī)尾部，輸送帶拉緊裝置設(shè)在靠近輸送機(jī)頭部。

5.1 啟動(dòng)過(guò)程

由于膠帶機(jī)依靠重力自行運(yùn)行屬于大慣性負(fù)載，啟動(dòng)力矩大。膠帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)完全在S120變頻調(diào)速器控制的頻率及速度下運(yùn)行，同時(shí)，由于變頻器采用了矢量控制技術(shù)，故具有較大的啟動(dòng)力矩(0.5 Hz時(shí)可達(dá)到2倍的額定力矩)，滿足膠帶機(jī)重載啟動(dòng)要求。

5.2 運(yùn)行過(guò)程

膠帶機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，隨時(shí)都可能產(chǎn)生短時(shí)或長(zhǎng)時(shí)負(fù)力，S120變頻調(diào)速裝置隨時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)力的產(chǎn)生，將負(fù)力回饋電網(wǎng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中正力到負(fù)力及負(fù)力到正力的平穩(wěn)控制，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率，防止膠帶機(jī)超速，使系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行。

6 應(yīng)用效果

阿克薩依鐵礦礦石輸送系統(tǒng)膠帶機(jī)采用SⅠNAMⅠCS S120變頻調(diào)速裝置運(yùn)行，應(yīng)用四象限運(yùn)行能量回饋功能，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)三臺(tái)電機(jī)均處于發(fā)電狀態(tài)，每天24 h連續(xù)不斷以2 727 kW的功率發(fā)電，按每年運(yùn)行時(shí)間9個(gè)月計(jì)算，年總發(fā)電量為1 814萬(wàn)kW·h，按每千瓦時(shí)電0.5元計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)925萬(wàn)元。解決了膠帶機(jī)負(fù)重下行過(guò)程中的速度失控問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)運(yùn)行全過(guò)程啟動(dòng)、制動(dòng)和速度控制，設(shè)備維護(hù)量小，可與工廠總控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一管理。其具有物料在運(yùn)輸過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定，揚(yáng)塵點(diǎn)少，對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，可在類似工程中推廣使用。

Application of S120 Frequency Control Devices in Downstream Belt Transport System

LI Shu-qing

Xinjiang Aqsa iron uses the downstream belt conveyor with converter driven generator to transport iron ore, which can feed the regenerative energy produced during braking back to the power grid. With a two-way energy flow, a lot of energy in the system can be recovered. Therefore it is of great significance to reduce production costs and enhance the enterprises competitiveness.

downstream belt conveyor; four quadrant converter; power feedback

2014-04-25

李淑清(1961—)，女，遼寧朝陽(yáng)人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要從事電氣工程設(shè)計(jì)工作。

TM921.51

B

1008-5122(2014)04-0047-04