带式输送机及其牵引系统

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在运送大量的物料时，带式输送机在长距离的运输中起到了非常重要的竞争作用。输送系统将会变得更大、更复杂，而驱动系统也已经历了一个演变过程，并将继续这样下去。如今，较大的输送带和多驱动系统需要更大的功率,控制驱动力和加速度扭矩是输送机的关键。一个高效的驱动系统应该能顺利的运行,同时保持输送带张紧力在指定的安全极限负荷内。为了负载分配在多个驱动上，扭矩和速度控制在驱动系统的设计中也是很重要的因素。由于输送机驱动系统控制技的进步,目前更多可靠的低成本和高效驱动的驱动系统可供选择。

1

带式输送机驱动

1.1

带式输送机驱动方式

全电压启动在全电压启动设计中，带式输送机驱动轴通过齿轮传动直接连接到电机。直接全压驱动没有为变化的传送负载提供任何控制,根据满载和空载功率需求的比率，空载启动时比满载可能快3～4倍。此种方式的优点是:免维护,启动系统简单，低成本，可靠性高。但是，不能控制启动扭矩和最大停止扭矩。因此，这种方式只用于低功率,结构简单的传送驱动中。降压启动随着传送驱动功率的增加,在加速期间控制使用的电机扭矩变得越来越重要。由于电机扭矩是电压的函数,电机电压必须得到控制，一般用可控硅整流器(SCR)构成的降压启动装置，先施加低电压拉紧输送带,然后线性的增加供电电压直到全电压和最大带速。但是，这种启动方式不会产生稳定的加速度，当加速完成时,控制电机电压的SCR锁定在全导通，为电机提供全压。此种控制方式功率可达到750kW。绕线转子感应电机绕线转子感应电机直接连接到驱动系统减速机上,通过在电机转子绕组中串联电阻控制电机转矩。在传送装置启动时,把电阻串联进转子产生较低的转矩，当传送带加速时，电阻逐渐减少保持稳定增加转矩。在多驱动系统中，一个外加的滑差电阻可能将总是串联在转子绕组回路中以帮助均分负载。该方式的电机系统设计相对简单，但控制系统可能很复杂，因为它们是基于计算机控制的电阻切换。当今，控制系统的大多数是定制设计来满足传送系统的特殊规格。绕线转子电机适合于需要400kW以上的系统。直流(DC)电机大多数传送驱动使用DC并励电机，电机的电枢在外部连接。控制DC驱动技术一般应用SCR装置，它允许连续的变速操作。DC驱动系统在机械上是简单的,但设计的电子电路，监测和控制整个系统，相比于其他软启动系统的选择是昂贵的，但在转矩、负载均分和变速为主要考虑的场合,它又是一个可靠的，节约成本的方式。DC电机一般使用在功率较大的输送装置上,包括需要输送带张力控制的多驱动系统和需要宽变速范围的输送装置上。

1.2

液力偶合器

流体动力偶合器通常被称为液力偶合器，由三个基本单元组成：充当离心泵的叶轮,推进水压的涡轮和装进两个动力部件的外壳。流体从叶轮到涡轮，在从动轴产生扭矩。由于循环流体产生扭矩和速度，在驱动轴和从动轴之间不需要任何机械连接。这种连接产生的动力决定于液力偶合器的充液量，扭矩正比于输入速度。因在流体偶合中输出速度小于输入速度,其间的差值称为滑差,一般为1%～3%。传递功率可达几千千瓦。固定充液液力偶合器固定充液液力偶合器是在结构较简单和仅具有有限的弯曲部分的输送装置中最常用的软启动装置，其结构相对比较简单，成本又对现在使用的大多数输送机能提供优良的软启动效果。可变充液液力偶合器也称为限矩型液力偶合器。偶合器的叶轮装在AC电机上涡轮装在从动减速器高速轴上，包含操作部件的轴箱安装在驱动基座。偶合器的旋转外溢出口,允许液体不断地从工作腔中流出进入一个分离的辅助腔，油从辅助腔通过一个热交换器泵到控制偶合器充液量的电磁阀为了控制单机传动系统的启动转矩,必须监测AC电机电流,给电磁阀的制提供反馈。可变充液液力偶合器可使用在中大功率输送系统中，功率可达到数千千瓦。这种驱动无论在机械,或在电气上都是很复杂的，其驱动系统成本中等。勺管控制液力偶合器也称为调速型液力偶合器。此种液力偶合器同样由三个标准的液力偶合单元构成，即叶轮、涡轮和一个包含工作环路的外壳。此种液力偶合器需要在工作腔以外设置导管(也称勺管)和导管依靠调节装置改变勺管开度(勺管顶端与旋转外壳间距)人为的改变工作腔的充液量,从而实现对输出转速的调节。这种控提供了合理的平滑加速度，但其计算机控制系统很复杂。勺管控制液力偶合器可以应用在单机或多机驱动系统，功率范围为150kW～750kW。

1．3

变频控制(VFC变频控制也是一种直接驱动方式，它具有非常独特的高性能。VFC装置为感应电机提供变化的频率和电压,产生优良的启动转矩和加速度。VFC设备是一个电力电子控制器,首先把AC整流成DC，然后利用逆变器，再将DC转换频率、AC。VFC驱动采用矢量控制或直接转矩控制(DTC)不同的负载采用不同的运行速度。VFC驱动能根据给定的S

曲线启动或停车，实现自动跟踪启动或停曲线。VFC驱动为传送带启动提供了优良的速度和转矩控制，也能为多机驱动系统提供负载均分。VFC控制器可以容易地装在小功率输送机驱动上。过去在中高电压使用时，VFC设备的结构由于受电力半导体器件的电压额定值限制而变得很复杂，中高电压的变速传动常常使用低压逆变器，然后在输出端使用升压变压器，或使用多个低压逆变器串联来解决。与简单的器件串联连接的两电平逆变器系统比较，由于串联器件之间容易均压以及输出端可以有更好的谐波特性，三电平电压型PWM逆变器系统在数兆瓦工业传动中近年来获得了越来越多的应用。由三台750kW/2.3kV的这种逆变器构成的VF系统已经成功安装在成庄煤矿长2.7km的带式输送机驱动系统中。

2

使用IGBT的中性点箝位三电平逆变器

由于串联器件电压均分容易,器件每次开关的dv/dt低以及输出端出色的谐波品质，三电平电压型逆变器在大功率传动应用中变得越来越流行。高压IGBT(HV-IGBT)的出现使得应用三电平中性点箝位原理的中高压逆变器设计了更大的应用范围。这种逆变器目前可以实现从2.3kV到4.16kV范围的应用。HV-IGBT模块串联可使用在3.3kV和4.16k设备。2.3kV逆变器每个开关只需要一个HV-IGBT。

2．1

主功率逆变电路

主功率逆变电路用三电平中点箝位电压型逆变器实现,可以满足中高压交流传动应用的需要。与两电平电压型逆变器相比，三电平中点箝位电压型逆变器提供三个电压级别给输出端，对于同样的输出电流品质，开关频率可降低到原来的1/4，开关器件的电压额定值可减小到原来的1/

2，附加到电机上的额外的瞬态电压应力也可能减少到原来的1/2。三电平中点箝位电压型逆变器的开关状态可归纳于表1，U，V

W分别表示三相，P，N和O是直流母线上的三个点。例如，当开关S1U和S2U合时，U相处于状态P(正母线电压)

，反之，当开关S3U和S4U闭合时，U处于状态N(负母线电压)。在中性点箝位时,该相在O状态，这时根据相电流极性的正负,或者是S2U导通或者是S3U导通。为了保证中性点电压平衡，在O点被注入的平均电流应该是零。

2.2

输入端变流器

为通常使用12脉冲二极管整流器给直流环节电容器充电,在输入端引入的谐波是很小的。若对输入谐波有更高的要求，可以使用24脉冲二极管整流器作为输入变流器。对于需要有再生能力的更高级应用，可以用一个有源输入变流器取代二极管整流器，这时输入整流器与输出逆变器为同一结构。

2.3

逆变器控制

电机控制感应电机的控制可以使用转子磁场定向矢量控制器实,通过PWM

调制器完成了恒转矩区和高速弱磁区的控制。指令磁通Ψr是速度的函数,反馈速度和前馈滑差控制信号ωsl相加。对相加结果的频率信号积分，然产生单位矢量(cosθe和sinθe)，最后通过矢量旋转器产生电压角控制PWM调制器。PWM调制器该调制器实际上是把空间矢量调制概念扩展到三电平逆变器。其基本原理是三电平PWM调制器使用两个参考波Ur1和Ur2，但只使用一个三角波。它以一种优化方式确定每一次开关时刻。产生的谐波尽可能的小，使用尽可能低的开关频率以最小化开关损耗；可将零序成分加到每一个参考波里以便最大化基波电压。作为一个附加的自由参考波与三角波的相对位置改变，这可以用于直流环节中点的电流平衡。

3测试结果

三个750kW/

2.

3kV

三电平逆变器在成庄煤矿2.

7km长带式输送机驱动系统成功安装之后,对整个变频传动系统(VFC)的性能进行了测试,测试结果显出使用VFC

控制系统的带式输送机的优良特性。由测试结果波形看出,曲线1显示受控带速,带速呈S曲线形状,曲线2、3分别表示电流和扭矩,曲线4显示带张力。可以发现,带张力的波动范围很小，所有检测结果显示出带式输送机驱动系统令人满意的特性。

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结论

近年来输送机驱动控制技术的进步已更为可靠，符合低成本效益和高效驱动的驱动系统为用户提供了选择。在这些选择中，可变频率控制(VFC)的方法显现出在