山西倡源公司金山坡下行皮带机
变频控制方案
上海伟肯实业有限公司
2008-12-20
公司简介
上海伟肯实业有限公司位于上海市嘉定区南翔环球经济园，是集研发、生产、销售、服务为一体的高新技术企业。
主要产品有防爆变频器、通用变频器、在线式智能节电软启动器、防爆软启动器、防爆组合开关、剩余电流式电气火灾监控探测器、ＰＬＣ综合自动化控制系统等。
公司自创建以来，努力深化以人为本、技术领先的企业理念，集中了业内一流的智能电气技术精英，并与国内多家科研单位建立了良好的合作关系，力争产品达到行来领先水准。
同时，公司汲取国际先进的管理工作理念，制订了一套行之有效的管理制度，确保生产、检验、服务等各个环节的高品质。
经过不懈的努力，公司在全国同行中迅速崛起，产品广泛应用于火电、矿山、输配电设备、建筑等诸多领域，并取得国家多项技术专利。
领先的技术和卓越的品质得到业界一致的认可，量身定做的自动控制方案更为最终用户提供最完美的控制与驱动。
我们坚持稳中求进、持续发展的企业使命，改变一切不适应市场发展趋势的经营观念与行为习惯，进一步激发团队的激情，不断的超越自我，与合作伙伴一起，全面致力于开拓我国智能化电气的新时代。
井下皮带机控制现状
国内现有大多数煤矿的皮带输送机一般都采用工频拖动，较少使用变频器驱动。
由于电机长期工频运行加之液力耦合器效率等问题，
造成皮带运输机运行起来非常不经济；同时由于电机无法采用软起软停，在机械上产生剧烈冲击，加速机械的磨损；还有皮带、液力耦合器的磨损和维护等问题都会给企业带来很大数额的费用问题。
这对于现在创建节能型社会是不相符合的，对煤矿企业的皮带输送机进行变频改造对节约社会能源、增加煤矿企业的经济效益都具有非常现实的经济意义和社会意义。
皮带机通过驱动轮鼓，靠摩擦牵引皮带运动，皮带通过张力变形和摩擦力带动物体在支撑辊轮上运动。
皮带是弹性储能材料，在皮带机停止和运行时都储存有大量势能，这就决定了皮带机的启动时应该采用软启动的方式。
国内大多数煤矿采用液力耦合器来实现皮带机的软启动，在启动时调整液力耦合器的机械效率为零，使电机空载启动。
虽然采用了转子串接电阻改善启动转矩和降压空载启动等方法，但电机的启动电流仍然很大，不仅会引起电网电压的剧烈波动，还会造成电机内部机械冲击和发热等现象。
同时采用液力耦合器软起皮带时，由于启动时间短、加载力大容易引起皮带断裂和老化，要求皮带的强度高。
加之液力耦合起长时间工作会引起其内部油温升高、金属部件磨损、泄漏及效率波动等情况发生，不仅会加大维护难度和成本、污染了环境，还会使多机驱动同一皮带时难以解决功率平均和同步问题。
如果在皮带机下行运行时如果控制不好还会出现速度不好控制，出现飞车现象。
基于现在该矿的现有控制情控况，可作以下分析：
1、皮带为下行运行方式；
2、从上图可以看出同一皮带机上的两台电机是同轴连接，
当皮带机工作时两台电机分别一台正转、另一台反转。
以第一段皮带机的1#和2#电动机为例，当皮带机空载运行时，1#电机反转、2#电机正转，皮带机下行运动；此时电机的输出转矩通过液力耦合器转换后作用在皮带机驱动轮毂上，并与上层皮带自重沿传输面重力分量作用在皮带机驱动轮毂上的力矩合成。
合成的驱动力矩与驱动轮毂受到的皮带摩擦力阻力合力矩相平衡，皮带机空载运行；此时1#电机处于反转电动态，工作在第三象限；2#电机处于正转电动态，工作在第一象限。
当皮带上煤后，煤的重力沿皮带传输方向的分力也作用在驱动轮毂上，并使得驱动力矩逐渐增大；当驱动力矩超过摩擦阻力力矩后，驱动轮毂的转速将加速转动，通过机械连接使得电机转子也加速转动，其速度将超过同步转速；此时1#电机处于反转再生态，工作在第四象限；
2#电机处于正转在生态，工作在第二象限。
电机运行在第一、第三象限内时为电动态，其定子中的旋转磁场、电机的输出电磁转矩与转子的转向同向，电机输出的电磁转矩是转子的驱动力矩，此时电机从电网吸收的电能大部分由电磁转矩作用到转子上以机械能形式输出。
当电机运行在第二、第四象限内时为再生态，由于转子切割磁力线的方向发生了改变，故电机作用到转子上的电磁转矩方向也发生改变，成为转子的制动阻力力矩；此时电机转子被负载的合成力矩拖着以超过同步转速的速度转动，负载作用在皮带机驱动轮毂上的机械能由电机反馈回电网。
故在进行下行皮带机变频改造时，应选用四象限带能量回馈的专用变频器。
3、变频器驱动三相异步电动机的启动情况可以分为电动
态启动、再生态启动和空载启动。
为了防止启动时因为拖动系统速度不为零而造成电机和变频器发生过载情况，变频器在电机启动前预先输出零赫兹的力矩电流，即变频器对电机预先输出一个直流力矩TL与负载力矩相平衡，保证拖动系统启动时初速度为零，这样变频器启动后逐渐升高输出频率，并保持输出转矩基本不变（视启动后负载力矩情况而定），实现电机的带载启动。
当变频器输出频率到达设定频率后，电机按该频率下的特征曲线运行。
变频改造方案的确定
根据以上分析可以知道，因为下行皮带机运行时其驱动电机会运行在四个象限内，这就需要驱动用变频器是四象限带能量回馈型变频器。
同时根据皮带机的工作情况，需要变频器能够在电机带载启动、空载启动或是停机时能够输出直流制动力矩，以保证皮带机平稳启动、停止，减小机械冲击。
为使该皮带机同轴的两台电机能够实现转矩平衡，在变频改造中要采用同轴的两台电机的两套变频器要进行联合控制，一台主控，另一台作为联动机，以达到速度和转矩的同步。
这样控制系统检测控制两台电机的输出转矩，使之达到转矩平衡，彻底解决扭震、共振等问题。
在实际使用中可以根据实际使用情况来进行控制，如果在出现轻载和一台变频器出现故障时，可以由一台变频器拖动整个皮带。
在不出现过载的情况下变频器可以正常工作。
本系统可以使用四象限变频器来进行改造，四象限变频器可以将能源回馈到电网中进行再利用，节能大约为整个系统用电的20%左右，但系统造价比较高。
也可以使用变频器带制动单元来进行控制，这样在设备运行中出现的能源皆通过制动单和制动电阻消耗掉，将能部分能源不能进行利用。
皮带机在使用了变频拖动后，会彻底实现了皮带输送机的软起、软停运行方式，彻底解决下行皮带在工频运行时出现的飞车现象，大大提高了系统的功率因数和系统效率。
改变了以前电机工频恒速运行的模式，在很大程度上节约了电力能源；如果使用四象限中压变频器还可以实现了皮带机能量回馈功能，进一步使得皮带机的能耗降低；液力耦合器的退出更大地节约了设备的维护和维修费用。