变频器在运输机系统的应用

变频器在运输机系统的应用煤炭科学研究总院上海分院测试中心2010-9-15

目前，煤矿胶带输送机发展方向：高速度(5.6m/s)大运量(年产量2000万吨）长距离（主井4.7km、大巷9km、顺槽6km)大倾角(35度)、大功率(单机2240KW，总装机功率3*1800+3*1800kW）大型带式输送机的性能、可靠性、经济性和使用寿命在很大程度取决于驱动装置的性能。一、运输机对驱动装置的基本技术要求起动加速度不大于0．3m/s2的慢速起动；多台电机的功率不平衡误差不大于±3%的自动平衡的功能；下运电控系统应具有控制减（加）速度不大于0．8m/s2时实施制动的功能；实现低速验带功能；满足运输机恒转矩负载特性；实现重载启动。二、几种运输机驱动方式的比较目前国内井下带式输送机的驱动方式常用的有：电气软启动、CST、调速型液力偶合器、变频器等。电气软启动实质是降压启动，故机械特性偏软，难于满足大功率的带式输送机重载启动的要求。

通过以下比较，从实现验带功能、功率平衡精度、节能、初期投资、后期维护等方面看，变频驱动有着明显的优势。序号特性CST调速型液力偶合器变频起动1软起动特性好较好好2控制系统复杂简单简单3功率平衡较好较好好4传动效率高较高高5可靠性可靠可靠可靠6体积大最大小7运行成本高低最低8节能高低最高9价格（1000KW以上）高低最低10低速验带困难困难可以CST、调速型液力耦合器、变频驱动方案比较变频驱动的运输机起动过程中3台电机的电流曲线（晋城矿务局成庄煤矿主斜井运输机实测）三、变频器在运输机系统上的适应性

1、软启动对于笼型或绕线转子异步电动机，其转速为

n=60f(1-s)/pn

式中s=转差率变频调速是最为理想的调速方法电压源型交-直-交变频器应用最多。

IGBT综合了MOSFET和GTR的优点，既有MOSFET电压控制型器件驱动功率小、开关频率较高（一般为20kHz以下）的特点，又有GTR电压电流值较大的长处。因此，在中等容量的变频器、逆变器中，得到了广泛的应用。变频驱动的运输机启动时的速度（红色）曲线（晋城矿务局成庄煤矿主斜井实测）2、恒转矩负载特性恒转矩负载在不同的转速下，负载的阻转矩基本恒定，由PL=TLnL/9550知，恒转矩负载的功率是和转速成正比的。恒转矩负载的典型例子如带式输送机。带式输送机变频驱动有节能效果也基于此，运量小时可低速运行。对于恒转矩负载来说，应首先考虑选用具有无反馈矢量控制功能的变频器，使电动机在变频后的大部分频段，具有真正的恒转矩特性，较好地满足负载的要求。3、重载启动运输机要求启动力矩达到额定力矩的1.5倍。一般来说，凡是在工作过程中可能使电动机短时过载的场合，变频器的容量都应加大一档。4、变频调速的制动下运运输机在超速时有制动要求，变频器可满足其制动要求。通常有两种方式：

1）外接制动电阻和制动单元

2）有源逆变5、功率平衡运输机多电机驱动有功率平衡要求，起到均衡电机寿命的目的。功率平衡多采用主从方式，例如2：1布置的机头集中驱动的运输机，3台变频器一对一驱动3台电机，其中一台设为主机，另外两台设为从机。变频器之间的数据交换可通过以下途径实现：

1）变频器之间主从控制板光纤连接；

2）变频器与控制系统的控制器通讯连接，数据交换通控制器转发；

3）变频器之间的数据交换通过变频器模拟量输入/输出口连接。主机和从机之间为刚性连接时控制原理速度给定速度PI调节器速度力矩选择力矩电流转换器速度调节器模式主机编码器反馈速度给定速度PI调节器速度力矩选择力矩电流转换器力矩调节器模式从机编码器反馈视窗控制主机和从机之间为柔性连接时控制原理

速度给定速度PI调节器速度力矩选择力矩电流转换器速度调节器模式主机编码器反馈速度给定速度PI调节器速度力矩选择力矩电流转换器速度调节器模式从机编码器反馈转差率四、变频器与运输机控制系统的接口1、通讯方式变频器可以通过标准的通讯协议（如Profibus-DP、Modbus、Devicenet等）与控制器之间交换数据。2、变频器和控制系统的I/O接口变频器与控制系统的交换数据可通过变频器配置的I/O口来实现。变频器配置的模拟量、数字量输入/输出口用户可根据需要设定对应参数。通常情况下交换的信号有：从控制系统到变频器的信号：速度给定4...20mA

变频器开变频器停紧急停机辅助设备准备好从变频器到控制系统的信号：变频器预备变频器运行变频器报警变频器故障电机过速变频器过载电机转速：4...20mA

电机电流：4...20mA

到进线柜信号：开关合五、隔爆型变频器应用中应注意的问题1、冷却方式

散热是防爆变频器遇到最大的难题。

在变频器内部：逆变模块约占整个变频器所有散热量的一半；整流模块所发的热量约占整个变频器的45%；而剩下的5%则是电解电容、充电电阻、均压电阻以及印制板上的发热元件等所发生的热量。变频器的热功耗大约为其额定功率的2～3%，也就是说若电机的额定功率为400KW，其发热量大约为8～12KW。那么在一个密闭的防爆腔里怎样能把这些热量及时、迅速的传递出去并散发掉，这是防爆变频器能否长期正常运作的关键。目前常用的冷却方式有：1）、强制风冷（非隔爆型或小功率）；2）、热管交换；3）、热管交换+强制风冷（隔爆型冷却风扇）；4）、水冷。采用热管交换方式的变频器散热能力会受到热管散热能力的限制。水冷方式散热效果最好，要求有水源，另外为防止水管结垢，对水质也有一定要求。水冷变频器一般采用内循环、外循环两个水路并用的模式，内循环所采用的水为去离子水，在变频器正常使用年限内，此水是无需更换的。谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。谐波影响各种电器设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使危害加剧，甚至引起严重事故。谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电器测量仪表计量不准确。谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。谐波有哪些危害2、谐波抑制IEEE519-1992国际标准GB/T14549-93国家标准输入谐波的标准GB/T14549-93国家标准对电压而言，就6KV和10KV电网要求电压总谐波不超过4%对电流而言，在基准短路容量为100MVA的条件下，对每次谐波电流的幅值提出了具体的要求，对6KV电网：

2次谐波电流小于43A3次谐波电流小于34A4次谐波电流小于21A5次谐波电流小于34A6次谐波电流小于14A将各次谐波换算成百分比，也为4%左右。二极管六脉冲整流电路电路简单,可靠直流母线电压VDC=1.35*Vin通常用在PWM电压源型变频器中六脉冲二极管整流电路输入电流波形12脉冲二极管整流电路12脉冲二极管整流电路输入电流减少输入谐波的有效措施是将输入变压器进行多重化设计形成多脉冲整流从理论上可以推导出下列结论：12脉冲整流：11次以下谐波自动抵销18脉冲整流：17次以下谐波自动抵销24脉冲整流：23次以下谐波自动抵销30脉冲整流：29次以下谐波自动抵销36脉冲整流：35次以下谐波自动抵销而谐波的幅值与次数是成反比的消除输入谐波的有效方法六、中、高压变频器在主斜井运输机上的应用

主斜井运输机的单机功率已达到2240KW，多采用中、高压变频器，非防爆通用变频器。

中、高压变频器现状分析电流源方案三电平方案完美无谐波功率单元串联多电平方案主流方案

电流源型逆变部分采用晶闸管、GTO或IGCT、SGCT直接串联解决耐压问题，直流部分用电抗器存储存能量，目前技术水平可做到7.2KV电压输出。电流源方案电流源型高压变频器原理图

该方案的优点是：123主电路结构比较简单容易实现再生回馈制动容量大该方案的缺点是：缺点输入侧的功率因数低

dv/dt问题比较突出，损害电机绝缘谐波含量高，对电网和其他设备干扰大

一旦出现某功率器件损坏，往往引发成组器件大范围损坏，极难修复三电平型高压变频器采用钳位电路，解决了两只功率器件串联的问题，并使其相电压输出具有三个电平。输出电压多为2.3KV、3.3KV、4.16KV。三电平方案三电平型高压变频器原理图+-C1C2123456ABCM3-0该方案的优点是：123主电路结构比较简单容易实现再生回馈制动容量大4体积比较小该方案的缺点是一旦出现某功率器件损坏，往往引发成组器件大范围损坏，极难修复谐波含量高，对电网和其他设备干扰大dv/dt

问题比较突出，对电机绝缘有损害输入侧的功率因数低方案的缺点

该方案采用多个低压的功率单元串联实现高压输出。输入侧的隔离变压器采用移相方式形成几十甚至上百脉波整流效果，可有效消除对电网的谐波污染。输出侧采用多电平正弦PWM技术，逆变单元串联输出使施加在电机定子绕组上的du/dt比较前两个方案大大降低，因此可适用于任何电压的普通电机，甚至是老系统旧电机。功率单元串联多电平方案

———目前市场占有率较高的高压变频器类型

多电平串联型高压变频器原理图A1B1C1A2B2C2A3B3C3A4B4C4A5B5C5A6B6C6motor该方案的优点是：输出波形较好，对电机绝缘损害小1输入侧的功率因数高2运行非常安全可靠效率高谐波含量极低，对电网和其他设备无干扰容量大3456该方案的缺点是方案的缺点主电路结构稍显复杂体积稍大去变压器二次侧功率单元输出光纤通信连接至主连接板单元控制电路Q1Q3Q2Q4COIL旁路接触器功率单元旁路电路

快速功率单元旁路技术

新的功率单元旁路策略，自动旁路技术，旁路时间在250ms以内从物理上完全旁路掉故障功率单元允许每相有不同的功率单元数量三相线电压平衡(中心点漂移技术)，发挥功率单元最大输出能力相比显著提高输出电压能力美国专利号5,986,909.已注册国际专利技术完全自动旁路，适用异步电机和同步电机AA5A4A3A2A1B1B2B3B4B5C1C2C3C4C5100%电压输出VACVBAVCBBC120TYP.No每相5个功率单元串联，正常运行95132.5132.5oooABCVACVBAVCBA3A2A1B1B2B3B4B5C1C2C3C4C5A4,A5旁路，调整相位角，输出电压对称，可达80%旁路A4,A5新的旁路技术(中心点偏移)功率因数负载百分比输入功率因数曲线功率单元串联高压变频器

电流源型变频器输入电流波形与整流形式有关，该变频器6KV整流电路脉冲数为36脉冲，35次以下谐波自动抵销，输入谐波远远小于规定的标准，在不用滤波器情况下一般在2%左右，优于IEEE519-1992国际标准和GB/T14549-93国家标准。

功率单元串联变频器满载时输入波形GTO/SGCT电流源型逆变器输出波形CurrentVoltageNPC逆变器输出波形输出电压dv/dt完美无谐波变频器输出相电压波形CELL1单元1CELL2单元2CELL3单元3COMPOSITE合成dv/dt

1400kW/6kV功率单元串联变频器满载50Hz实测波形A-B相线电压波形A相电流波形同忻主斜井带式输送机主要参数运输机型式：头部卸料，尾部受料，采用头部三驱动+中间三驱。运输能力:4800t／h胶带宽度:1.8m带速:5m/s运输长度（斜长）: