發布日期：2022-10-09 點擊率：212
關鍵詞： 高壓變頻 皮帶輸送機 多電機驅動 負載均衡
摘要：本文簡單介紹了東芝三菱 TMEIC 公司生產的 TMdrive-MVGC 大功率高壓變頻器在 長距離皮帶輸送機系統上的應用，也簡要介紹了該變頻器的特點，以及實際在帶式輸送機的 多電機驅動中，負載均衡控制，及低速時重載啟動的特點及實例。
1 引言
江西銅業股份有限公司德興銅礦為擴大采選規模在銅廠的廢石排棄系統采用的破碎-輸送機，采用兩部帶式輸送機。一部為移動式帶式輸送機，另一部為固定式帶式輸送機。廢石破碎后，由板式給料機輸送給固定式皮帶機。再輸送給移動式皮帶機。由移動式皮帶機上的卸料小車至上排機排棄。礦區廢石排棄系統的排放能力為2000萬噸/年。每小時排棄能力為4500T/H 。
固定式帶式輸送機采用多機驅動，共 4 臺電機，均采用東芝三菱 TMEIC 的高壓變頻器，解決皮帶機帶料時的重載啟動和負載均衡問題。
2 設備簡述
2.1 皮帶輸送機的設備簡述：
2.2 變頻電機參數：
額定電壓：6KV
額定電流：182A
額定功率：1600KW
數量：4 臺
2.3 變頻器設備簡述：
變頻器品牌和型號：東芝三菱-TMdrive-MVGC 高壓變頻器，
額定輸入電壓：6KV，
額定輸出電壓：0-6KV
額定電流：263A，
額定容量：2720KVA，
過載能力：150%-1 分鐘，間隔 10 分鐘。
2.4 帶式輸送機的電機分布圖：
東芝三菱 TMEIC 變頻器的系統結構如下：
3.1 由輸入變壓器，變頻單元及控制系統三部分所組成。主電路拓撲結構采用多電平串聯技術，每相采用5個單元串聯，三相共15個單元。
3.2 變壓器采用H級絕緣的移相整流變壓器，可靠性極高。
3.3 變壓器的副邊有15個低壓繞組，這15個繞組分別給三相的15個單元供電。
3.4 變頻器的主電路拓撲結構原理如下圖所示：
3.5 變頻單元的結構完全一致，可以互換。變頻單元實際上是一臺三相輸入、單相輸出 690V
的低壓變頻器，開關器件采用三菱公司生產 A 級 IGBT，耐溫等級 150℃，單元的過熱保護為 100℃。耐高溫的能力較強，不易過熱保護。采用長壽命的電容，并特別注意電容的冷卻散熱，使電容的壽命延長。帶有預充電電路，減少了變壓器上高壓電時的激磁涌流，降低了通過整流二極管對電容器的瞬間充電電流，減少對系統和電網的電流沖擊，也減少了對變壓器的沖擊。延長單元內部整流二極管及電容的使用壽命。
3.6 控制系統采用雙閉環的無速度傳感器矢量控制，將電機電流分為勵磁電流 ID，和轉矩電流 IQ，用電流環對勵磁電流 ID 和轉矩電流 IQ 分別進行閉環控制，保證勵磁電流恒定，磁通穩定。轉矩電流可控，因而可以直接控制電機的轉矩，轉矩電流的動態響應為毫秒級，響應速度快。在無傳感器的情況下，自動計算和檢測電機速度反饋，用速度環對轉速進行閉環控制，轉速控制精度高。這種雙閉環的矢量控制，特別適合需要低速大啟動轉矩的恒轉矩負 載。比如皮帶機重載啟動，橡塑行業的擠壓機，攪拌機，密煉機等。還可以進行多電機驅動的自動負載均衡控制。
4 東芝三菱 TMEIC 高壓變頻器皮帶多機控制東芝三菱的高壓變頻器，具有皮帶機驅動用變頻器的多機控制，及負載均衡功能和重載啟動功能。
4.1 當皮帶機采用多臺電機同時驅動時，采用變頻器自帶的負載平衡控制器可以保證主機和 從機的負載均衡。
下圖為 4 機驅動的多機控制皮帶機系統，多機負載的不均衡度可以控制在 1%左右。
德興銅礦帶料運行后，負載加重，但是轉矩電流還是非常均衡。皮帶機的設計輸送量為
4500T/H，實際為 1964T/H 時的運行圖如下。速度給定 90%，運行期間，轉矩電流 35-36左右。
2#電機和其他電機轉速有較大的偏差。從 1286rpm 到 1301rpm，速度偏差達到15rpm，速度偏差達到 1%。但是負載轉矩偏差很小，轉矩偏差為34.7%-35.5%，非常接近，偏差小于1%。因此這種控制系統的主要特點就是，各個電機的速度可以不一致，可以有偏差。而各個電機的負載轉矩則比較接近，也是動態均衡的，但負載轉矩的偏差很小。
當皮帶機因故帶料停止后，再啟動時屬于重載啟動。要求變頻器能夠對皮帶機進行帶料重載啟動。皮帶機在帶料進行重載啟動時，電機輸出的轉矩，即要克服皮帶下面每個支撐滾輪和滾輪軸之間的靜態摩擦力造成的阻力矩，也要克服物料在皮帶上向下的拉力造成的阻力矩。物料在皮帶上向下的拉力造成的阻力矩是常數。但靜態摩擦力要比動態摩擦力大的多，這就使得為克服靜態摩擦力的初始啟動轉矩，比正常運行時動態摩擦力造成的阻力矩大的 多。因此變頻器必須具備低速大啟動轉矩的功能。
實際在啟動的過程中，由于皮帶的伸縮性，每個滾輪是先后按順序逐個轉動的，不會同時轉動。即使滾輪轉動起來，由于速度很低，滾輪與滾輪軸之間的潤滑不好，會非常澀，其 動態摩擦力是不穩定的，因此低速啟動時的轉矩有一定的波動。而且在整個啟動過程中，需 要一定的時間，才能使所有滾輪都轉動起來，轉矩才開始下降。也只有達到一定的速度，潤滑改善，轉矩的波動才會減少。因此這種大的低速啟動轉矩，是需要維持一定的時間的，一 般至少幾秒鐘。和皮帶的長度及啟動時的最低轉速，以及皮帶的伸縮性等有關。而且啟動時 由于速度低，轉矩和速度的波動會比較大。
變頻器的過載能力為 a150%-1 分鐘，間隔 10 分鐘。而且可以在電流提高比較少的條件 下，通過強勵磁的方式，提供比額定轉矩還要大的多的啟動轉矩，因此低速時的啟動轉矩特 別大，可以達到 150%-200%。這種動態的大啟動轉矩，時間持續很短，當所有的支撐滾輪 都轉起來以后，也就沒有靜態摩擦力了，只有動態摩擦力，因此皮帶機的驅動力矩，比啟動 時要小，只需要克服物料的重力通過皮帶的拉力產生的阻力矩，也就是正常運行時的阻力矩。 變頻器在實際運量已經達到 4400T/H（接近額定運量 4500T/H）時因故停止，然后再啟動， 仍然可以帶料重載啟動。
下圖為該皮帶機重載時的運行數據。設計運量為4500T/H，實際已經達到4400T/H， 接近設計的極限值，4臺電機負載電流均為138A，一點不差。轉矩電流達到 73.2%-73.5%，非常均衡，誤差 0.3%。但是轉速范圍為 1478-1488rpm。其中主機 4#電機的主驅動輪更換了，直徑比其他輪的直徑略小一點，因此速度偏高，且誤差比較大。從機的轉速為1478rpm， 主機的轉速為1488rpm，而且偏差在 10rpm 左右，接近 0.67%，相當于電機的額定滑差， 但是轉矩電流和電機電流都非常均衡。這就是負載均衡控制的功能在起作用。
由于變頻器是采用雙閉環的無速度傳感器矢量控制，而且這種速度的閉環控制是不需要速度傳感器的，變頻器通過輸出勵磁電流，自動檢測電機的實際速度，并利用速度反饋值進行閉環控制。而且主機是速度閉環控制，這就要求該速度閉環的響應要快，這樣速度反饋才能緊緊地跟隨速度給定，變頻器可以在穩定工作的區域內長期連續地穩定運行，不會進入失速區，也就不會發生堵轉的現象，這對于低速的大啟動轉矩是非常有好處的。變頻器啟動后還可以低速驗帶，然后在高速運行。啟動中可以采用 S 字型，使得皮帶所受的拉力變化均衡，皮帶機的啟動變成了軟啟動，不會突然將皮帶拉斷。
5、結論
東芝三菱 TMEIC 的高壓變頻器非常適合于皮帶多機驅動的場合，其多機驅動時負載均 衡控制能力很強，也具有大啟動轉矩的能力，從國內眾多多機皮帶驅動的業績也證明了這點。
參考文獻：
【1】東芝三菱 TMEIC 高壓變頻器調試報告
【2】東芝三菱 TMEIC 高壓變頻器用戶手冊
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