机电运输变频调速系统在带式输送机中的应用李学峰 刘少成沈阳焦煤有限责任公司红阳三矿摘要：矿用隔爆兼本质安全型交流变频器（以下简称变频器）是一种数字式变频调速装置及相关的散热技术为一体的高新技术产品。适用于交流50Hz、额定电压660V或1140V的异步电动机重负荷软起动、软停车和运行过程调速控制，具有起动电流小、起动速度平稳、启动时间可调、对电网冲击小、起动性能可靠等优点。用在带式输送机上还能降低对输送带带强的要求，减少初期投资，可延长输送机使用寿命。当变频器工作时，可根据电机的负荷变化，调整电机工作电源电压和频率，达到所需转矩，具有明显的节能效应，实现经济运行。通过用变频器对本矿井下-845主运皮带运输机交流电机继电控制系统的改造,介绍变频器在技术性能、运行效率、日常维护等方面的优越性及取得的成效。关键词：带式输送机、变频器、改造、干扰一：概述交流变频调速技术是微机技术、电力电子技术和电机传动技术的综合应用，是强弱电混合、机电一体的综合性技术。其实质是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，其基本原理是通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，再由逆变器转换为频率、电压可调的交流电压作为交流电机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压和电流，是一种无附加转差损耗的高效调速方式之一。变频调速技术之所以在能源危机中应运而生，就是因为它能根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速、减速，从而大幅度提高工作效率。二：变频调速系统的特点变频调速是近年来兴起的一门新技术，它是通过改变电源频率来实现速度的调节，因其具有调速平稳、瞬态稳定性高、节能等特性越来越被人们所重视。随着变频调速技术的不断成熟，变频调速装置在皮带运输设备上的应用也越来越广泛。皮带运输变频调速控制设备具有以下特点：1）真正实现了带式输送机系统的软起动。运用变频器的软起动功能，将电机的软起动和皮带机的软起动合二为一，通过电机的慢速起动，带动输送机缓慢起动，将皮带内部贮存的能量缓慢释放，使输送机在起动过程中形成的张力波极小，几乎对皮带不造成损害。2）实现带式输送机多电机驱动时的功率平衡。应用变频器对输送机进行驱动时，一般采用一拖一控制。当多电机驱动时，采用主从控制，实现功率平衡。皮带输送机综合保护系统能够很好的与变频器实现接口控制，通过功率平衡调节软件能够使一条皮带输送机上的多台变频器的输出功率保持一个稳定的状态，使皮带输送机的运行效率得到提高，而且能够及时发现皮带运行过程中的机械磨损问题。3）降低皮带带强要求。采用变频器驱动之后，由于变频器的起动时间在1S3600S可调，通常输送机起动时间在60S200S内根据现场设定，输送机的起动时间延长，大大降低对皮带带强的要求，降低设备初期投资。4）降低设备的维护量。变频器是一种电子器件的集成，它将机械的寿命转化为电子的寿命，寿命很长，大大降低设备维护量。同时，利用变频器的软起动功能实现带式输送机的软起动，起动过程中对机械基本无冲击，也大大减少了皮带输送机系统机械部份的检修量。5）启动平滑，转矩大，没有冲击电流，可实现重载启动。6）节能。在带式输送机上采用变频驱动后的节能效果主要体现在系统功率因数和系统效率两个方面。（1）提高系统功率因数通常情况下，煤矿用电机在设计过程中放的裕量比较大，工作时绝大部分不能满载运行，电机工作于满电压、满速度而负载经常很小，也有部分时间空载运行。由电机设计和运行特性知道，电机只有在接近满载时才是效率最高、功率因数最佳，轻载时降低，造成不必要的电能损失。这是因为当轻载时，定子电流有功分量很小，主要是励磁的无功分量，因此功率因数很低。采用变频器驱动后，在整个过程中功率因数达0.9以上，大大节省了无功功率。（2）提高系统效率采用变频器驱动之后，电机与减速器之间是直接硬联接，中间减少了液力耦合器这个环节。而液力耦合器本身的传递效率是不高的，且主要是通过液体来传动，液体的传动效率比直接硬联接的传动效率要低许多，因而采用变频器驱动后，系统总的传递效率要比液力耦合器驱动的效率要高5%10%。另外，矿井通常离变电站距离较远，不同时段电压波动较大，利用变频器的自动稳压功能，也有部份节能作用。综上所述，采用带式输送变频调速控制技术来改造传统的带式输送机驱动系统，不仅在技术的先进性还是带来的社会及经济效益方面都是巨大的，随着变频调速技术的不断成熟，在带式输送机的驱动上变频器将占主导地位。三：变频调速系统的基本认识1、控制电机的启动电流当电机通过工频直接启动时它将会产生7 到8 倍的电机额定电流，这个电流值将大大增加，电机绕组的电应力并产生热量从而降低电机的寿命；而变频调速则可以在零速零电压启动(当然可以适当加转矩提升)，一旦频率和电压的关系建立变频器就可以按照V/F 或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动电流提高绕组承受力。用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低，电机的寿命则相应增加。2、降低电力线路电压波动在电机工频启动时电流剧增的同时电压也会大幅度波动，电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量，电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常。如PC 机传感器接近开关和接触器等均会动作出错而。采用变频调速后由于能在零频零压时逐步启动，则能最大程度上消除电压下降。3、启动时需要的功率更低电机功率与电流和电压的乘积成正比，那么通过工频直接启动的电机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率。在一些工况下其配电系统已经达到了最高极限，其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同电网上的其他设备产生严重的影响，如果采用变频器进行电机起停就不会产生类似的问题。4、可控的加速功能变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑地加速，而且其加速曲线也可以选择(直线加速S 形加速或者自动加速)；而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动，这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机的寿命。5、可调的运行速度运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过远控PLC 或其他控制器来实现速度变化。6、可调的转矩极限通过变频调速后能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏，从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。目前的变频技术使得不仅转矩极限可调甚至转矩的控制精度都能达到35 左右。在工频状态下电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。7、受控的停止方式如同可控的加速一样, 在变频调速中, 停止方式可以受控并且有不同的停止方式可以选择(减速停车、自由停车)，同样它能减少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠寿命也会相应增加。8、可逆运行控制在变频器控制中要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相序即可这样就能降低维护成本和节省安装空间。四：变频调速装置的干扰问题1、变频器的干扰源和干扰途径1）变频器在运行过程中，要产生三个干扰源：（1）输入电流。变频器的输入电流是非正弦波，它具有十分丰富的高次谐波成分。其频率一般在3kHz以下。这些高次谐波电流将在电源电压中产生对应的谐波分量，从而影响其他设备的正常运行。（2）输出电压。输出电压的波形是经过正弦脉宽调制的高频、高压的脉冲序列，其频率为载波频率，高达2-15kHz。（3）输出电流。在高频、高压脉冲序列的作用下，由于电动机的绕组具有电感性，输出电流的波形十分接近于正弦波。但因为电压时脉冲序列，故电流不可能是十分“光滑”的正弦波。输出电流中也存在着非常丰富的高频分量，其频率一般在10kHz以上。2）这些干扰源的传播途径有以下几种：（1）线路传播。由于变频器的输入电流中有很强的高次谐波成分，使网络电压产生相应的脉动，从而传播到同一网络中的其他电子设备。此外，如果若干设备的地线连接在一起的话，则变频器输出电流中的高频信号也可能通过地线传播到其他设备。这种传播途径是相当重要的一种方式。（2）电磁波传播。变频器的输入电流和输出电流中的高次谐波电流所产生的电磁场具有辐射能力。使其它设备因接到电磁波信号而受到干扰，这种传播途径主要是针对一些遥控装置和通信设备。（3）电磁感应。当其他设备的控制线接近变频器的输出主电路（输入或输出）时，将切割主电路的高频电磁场而产生干扰信号。（4）静电感应。当其他设备的控制线接近变频器的输出主电路时，变频器输出的高频电压信号将通过线间分布电容，传播到其他设备中去。感应传播主要对靠近变频器输入、输出主电路的一些控制电路起作用。2、线路传播干扰的消弱针对线路传播引起的干扰，较好的防止方法是加入隔离电源。1）如果能在变频器前加入隔离变压器，效果是最好的2）如果受干扰设备的容量不大，则在受干扰设备前加入隔离变压器，也是效果较好的一种方法。除此之外，接入交流电抗器也是可以的。交流电抗器对于消弱高次谐波电流具有显著的作用，除了用于提高功率因数外，也具有较好的抗干扰效果，交流电抗器应尽量靠近变频器，缩短其连接线。3、辐射干扰的消弱因为辐射能与频率有关，只有频率较高的电磁场才具有较强的辐射能力，所以，线路滤波器主要的作用是消弱高频电流的干扰信号。（线路滤波器主要由三相电源线同方向缠绕在高频磁心上构成，缠绕线圈越多，效果越好）。输出滤波器的结构和输入滤波器基本相同，但因为输出电流中谐波成分的频率较高，故缠绕到高频磁心上的圈数可以略少。需要注意的是，因为变频器的输出侧不能接电容器，所以，接到变频器的端子和接到电动机的端子不能交换。4、感应干扰的消弱为了消弱感应引起的干扰，控制线要用屏蔽线，屏蔽层只能一端接地。但是，主电路的屏蔽层却是两端都接地的，这是因为两者担任的“角色”不同，所以要求也就不一样了。控制电路它是干扰的“受体”。当它靠近主电路时，要受到高频电磁场的感应干扰。屏蔽层的作用是阻挡主电路的高频电磁场，但它在阻挡高频电磁场的同时，自己也会因切割高频电磁场而受到感应。当一端接地时，因不构成回路，产生不了电流。而如果两端接地的话，就有可能与控制线构成回路，在控制线里产生干扰电流，尽管十分微小，但因控制电路的电流通常是毫安级的，所以很容易受到干扰。主电路却是干扰的主体，它的电流是几安，十几安甚至几百安的，高次谐波电流所产生的高频电磁场是挺强的。因此，抗干扰的着眼点是如何消弱高频电磁场。三相高次谐波电流可以分为正序分量、逆序分量和零序分量。其中，正序分量和逆序分量的三相之间，都是互差电角度的，他们的合成磁场等于0，自己就抵消了。只有三相零序分量是同相位的，互叠互加产生强大的电磁场。消弱的方法是采用四芯电缆。这第四根电缆线，将切割零序电流的磁场而产生感应电动势，并和屏蔽层构成回路而有感应电流。更具楞次定律，该感应电流必将消弱零序电流的磁场。5、其他设备对变频器的干扰变频器周围也存在着许多其他的干扰源，通过辐射或电源线路侵入变频器，是变频器运行不正常，或产生保护性的误动作。例如（1）开关的闭合与通断。其他设备的空气断路器、接触器以及继电器的触点在接通和断开的过程中，将产生火花，这些火花将产生频率很高的电磁波，干扰其他设备的正常工作。（2）电磁铁线圈的断电。电磁铁线圈（包括接触器和继电器的线圈）在断电瞬间，常常会产生很高的自感电动势，从而产生高频电场，干扰其他设备的正常工作。（3）其他设备产生的高频脉冲。某些设备在运行过程中，也会产生高次谐波电压或电流，干扰变频器的正常工作。6、变频器的抗干扰的对策1）吸收高频脉冲。在接触器和继电器的触点两端和线圈两端，接入吸收电路。在交流电路中，接入阻容吸收；在直流电路中，则接入反向二极管。2）输入信号线采用屏蔽线。变频器最容易受到干扰的部位是输入信号电路。尤其是模拟量信号输入