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多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)恒壓頻比控制變頻器

發(fā)布時(shí)間:2017-05-31 作者:新風(fēng)光
1引言
        現(xiàn)階段,在采用變頻器驅(qū)動(dòng)多電機(jī)拖動(dòng)的皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)中,多用一臺功率較大的變頻器來同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺電機(jī)。雖然變頻器輸出的頻率對于每臺電機(jī)是相同的,但是由于滾筒尺寸、皮帶包角等因數(shù)的影響,導(dǎo)致各臺電機(jī)的實(shí)際輸出扭矩不盡相同,輸出功率亦不盡相同。降低了電機(jī)、皮帶的使用壽命,這也是變頻器在多機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用較少的原因所在。
        在多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)過程中,若控制不當(dāng),會導(dǎo)致電機(jī)輸出扭矩不一樣,甚至導(dǎo)致有的電機(jī)處在電動(dòng)狀態(tài),而有的電機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)。對于變頻器來說,這種情況是致命的,變頻器多用二極管做不控整流,這樣當(dāng)電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)時(shí),會通過IGBT的續(xù)流二極管向電容充電,由于電容前端為二極管整流,能量流動(dòng)不可逆,電容的電壓會越來越高,直至單元過壓保護(hù)。因此,選擇適當(dāng)?shù)目刂品绞?,使多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)過程中各個(gè)電機(jī)輸出扭矩一致是恒壓頻比控制型變頻器驅(qū)動(dòng)多機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)的關(guān)鍵所在。
2 技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)方法
2.1 變頻器基本原理及構(gòu)成
        變頻器是將電網(wǎng)電壓提供的恒壓恒頻轉(zhuǎn)換成電壓和頻率都可以通過控制改變的轉(zhuǎn)換器,它可使電動(dòng)機(jī)在變頻電壓的電源驅(qū)動(dòng)下發(fā)揮更好的工作性能。簡而言之,變頻器輸出的電壓和頻率分別可調(diào)。因此,變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟啟動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)等功能。
        本文中所涉及的異步電動(dòng)機(jī)、變頻器為高電壓等級,常見為6kV、10kV,其中變頻器為級聯(lián)式電壓源型高壓變頻器。下面對級聯(lián)式高壓變頻器其結(jié)構(gòu)、工作原理做說明。

 

圖1  級聯(lián)式高壓變頻器結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示,級聯(lián)式高壓變頻器主回路由輸入移相變壓器、功率單元、主控系統(tǒng)及電氣控制構(gòu)成。電網(wǎng)輸入為三相10kV或6kV,經(jīng)過移相變壓器變?yōu)閚個(gè)低壓、獨(dú)立、移相二次繞組電源,依次接入功率單元模塊,經(jīng)過整流、濾波和逆變輸出單相交流電源。若輸入為6kV,則每相由5個(gè)最大輸出電壓為759V的功率單元串聯(lián)而成,使輸出的相電壓最大值得到3795V,線電壓最大輸出為6572V,當(dāng)變頻器帶滿載時(shí),除掉變壓器壓降和功率單元壓降,則輸出大約為最大輸出的92%。移相變壓器電流多重化作用可以降低電網(wǎng)側(cè)電流諧波。5個(gè)二次繞組通過不同的聯(lián)結(jié)方式使它們之間的電流相位差為12°,在變壓器一次繞組側(cè)構(gòu)成30脈波整流電路,理論上可以消除電網(wǎng)側(cè)29次以下諧波。


 
圖2  功率單元基本結(jié)構(gòu)圖

采用功率單元串聯(lián),不存在器件均壓的問題。每個(gè)功率單元承受全部輸出電流,但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。輸入功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上。這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加,但是由于IGBT驅(qū)動(dòng)功率很低,且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器,可使變頻器的效率高達(dá)96%以上。
        如圖2所示,功率單元是由4個(gè)低壓絕緣柵雙極晶體管(IGBT)構(gòu)成的低壓PWM電壓型逆變器??奢敵?,0,-1三種狀態(tài)電平;每相5個(gè)功率單元疊加,由于采用多重化SVPWM技術(shù),可以產(chǎn)生11種不同的電平等級,可得到具有11級階梯電平的相電壓波形和21級階梯電平的線電壓波形。使得輸出波形接近正弦波,輸出諧波小。
      6KV每相5個(gè)單元級聯(lián)多電平變頻器電壓疊加原理(以其中一相如A相為例)如下圖所示:


 

圖3  串聯(lián)多電平變頻器相電壓波形圖

       每相單元輸出波形的電平數(shù)為11個(gè)階梯波。
                

圖4  串聯(lián)多電平變頻器線電壓波形圖
2.2 變頻調(diào)速及恒壓頻比控制原理
       當(dāng)在電動(dòng)機(jī)的定子繞組上接入三相交流電時(shí),在定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場,它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng),使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢,出現(xiàn)感應(yīng)電流,此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。電機(jī)磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速,用N表示: 
N = 60×f/p(r/min)                         (1) 
式中:f — 三相交流電源頻率,一般為50Hz;
P — 磁極對數(shù)。當(dāng)p=1時(shí),N=3000r/min;p=2時(shí),N=1500r/min??梢姶艠O對數(shù)p越多,同步轉(zhuǎn)速N越慢。轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速n比磁場的同步轉(zhuǎn)速N要慢一點(diǎn),所以稱為異步電機(jī),這個(gè)差別用轉(zhuǎn)差率s表示:    
    s = [(N-n)/N]×100%                       (2)
    當(dāng)加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間,n=0,這時(shí)s=1;起動(dòng)后的極端情況n=N,則s=0,即s在0~1之間變化。一般異步電機(jī)在額定負(fù)載下的s=(1~6)%。 
綜合式(1)和式(2)可以得出
n = 60×f×(1-s)/p                         (3)
由式(3)可以看出,對于異步電機(jī),其磁極對數(shù)p已經(jīng)確定,轉(zhuǎn)差率s變化不大,則電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比,       因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。
異步電機(jī)調(diào)速時(shí),希望盡量保持主磁通不變,這是因?yàn)椋?)磁通太弱,鐵芯利用不充分,同樣的轉(zhuǎn)子電流下,電磁轉(zhuǎn)矩小,電機(jī)負(fù)載能力下降;2)磁通太強(qiáng),則鐵芯處于過勵(lì)磁狀態(tài),勵(lì)磁電流過大,限制了定子電流的負(fù)載分量,電機(jī)負(fù)載能力下降。


                       圖5 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖

2.3 主從控制系統(tǒng)構(gòu)成及控制原理


圖6 多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

如圖6所示,給出了多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)的恒壓頻比控制系統(tǒng)的原理圖,圖中所示的交流異步電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)使皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行,所有電動(dòng)機(jī)的規(guī)格相同;每臺交流異步電動(dòng)機(jī)均由一臺變頻器對其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。所有變頻器中有且只有一臺為主機(jī)變頻器,其余的為從機(jī)變頻器,主機(jī)變頻器用于實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。變頻器的電源輸入端與電網(wǎng)相連接,電源輸出端與相應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子輸入端相連接;主機(jī)變頻器與所有從機(jī)變頻器之間通過光纖相通信,同時(shí)主從機(jī)變頻器通過檢測相應(yīng)輸出的有功電流大小來對運(yùn)行頻率做調(diào)整,以達(dá)到各個(gè)電機(jī)的功率平衡目的。
      圖6中所示的變頻器為電壓源型級聯(lián)式高壓變頻器。多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)采用恒壓頻比控制方式,根據(jù)預(yù)先設(shè)定的VF曲線向多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)的定子繞組施加電壓,其特性可以等效于穩(wěn)定的交流電壓源,其穩(wěn)定性最接近于工頻電網(wǎng),因而與其它控制方式和其它類型的變頻器相比,具有更高的工作穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí),由于多電機(jī)拖動(dòng)皮帶機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)電機(jī)的無功電流僅在電機(jī)的定子繞組和變頻器之間流動(dòng),不進(jìn)入工頻電網(wǎng),因此減小了對電網(wǎng)容量的要求,提高了系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)。
圖6中主從變頻器通過各自電流傳感器采集三相輸出電流Ia、Ib、Ic,然后將靜止坐標(biāo)系的電流Ia、Ib、Ic變換成α和β兩相靜止坐標(biāo)系(Clarke變換),也叫3/2變換,再從兩相靜止坐標(biāo)系變換成同步旋轉(zhuǎn)磁場定向坐標(biāo)系(Park變換),變換的同步角度為變頻器輸出的電壓矢量角度,這樣就得到了等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Iq、Id。其中Id為異步電機(jī)的勵(lì)磁電流,也就是我們所說的無功電流,一般為電機(jī)額定電流的30%,Iq為與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流,也就是我們所說的有功電流。通過控制有功電流大小來實(shí)現(xiàn)對變頻器輸出有功功率的控制,最終實(shí)現(xiàn)各個(gè)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩一致、功率平衡。
2.4 具體實(shí)施方法
       恒壓頻比控制型多機(jī)拖動(dòng)皮帶機(jī)變頻器采用主從控制方式,系統(tǒng)中的每臺電機(jī)都分別有一臺變頻器驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)的變頻器有主從之分,在整個(gè)系統(tǒng)中有且只有一臺變頻器主機(jī),其它的變頻器都作為從機(jī)。針對多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)變頻啟動(dòng)、停機(jī)、運(yùn)行調(diào)節(jié)和故障保護(hù)等關(guān)鍵性問題,提出了一種使用恒壓頻比控制型變頻器驅(qū)動(dòng)多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行的方法,使恒壓頻比控制型變頻器驅(qū)動(dòng)多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行成為可能。
本文所涉及的多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)的恒壓頻比控制系統(tǒng)的控制方法,包括啟動(dòng)過程、運(yùn)行過程和停機(jī)過程,如圖7和圖8所示,分別給出了本控制方法中主機(jī)變頻器和從機(jī)變頻器的程序流程圖;


 
圖7  主機(jī)變頻器的程序流程圖


 
 


圖8 從機(jī)變頻器的程序流程圖

主機(jī)變頻器與各個(gè)從機(jī)變頻器之間通過光纖連接,一方面可采用高傳輸速率來提高響應(yīng)速度,另一方面實(shí)現(xiàn)了電氣隔離有助于減小外部干擾。

當(dāng)主機(jī)變頻器接收到本地或遠(yuǎn)程開停機(jī)指令后,會根據(jù)主從機(jī)變頻器的就緒、故障情況,將開停機(jī)命令通過光纖廣播發(fā)給從機(jī)。即從機(jī)變頻器開停機(jī)受主機(jī)變頻器控制。

當(dāng)主機(jī)執(zhí)行開停機(jī)后,會根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的頻率上升時(shí)間和下降時(shí)間進(jìn)行升頻、降頻。并將主機(jī)變頻器運(yùn)行頻率作為基準(zhǔn)頻率廣播發(fā)給各個(gè)從機(jī)變頻器。從機(jī)變頻器接收到主機(jī)變頻器發(fā)來的基準(zhǔn)頻率后,將自身運(yùn)行頻率調(diào)整到基準(zhǔn)頻率。

同時(shí),主機(jī)變頻器會檢測其輸出有功電流并作為基準(zhǔn)有功電流發(fā)給各個(gè)從機(jī)變頻器。從機(jī)變頻器接收到主機(jī)變頻器發(fā)來的基準(zhǔn)有功電流后并與自身檢測到的有功電流進(jìn)行比較,若自身有功電流小則進(jìn)行升頻,若自身有功電流大則進(jìn)行降頻。由于皮帶機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩系統(tǒng),所需總的轉(zhuǎn)矩是一定的,若某臺變頻器輸出頻率降低,必然會導(dǎo)致輸出有功電流減小,所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小,從而使其它電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增大。這好比是兩匹馬拉大車,跑的快的出力大,跑的慢的出力小,若想讓兩匹馬出力相同,需將跑的快的馬降低速度,跑的慢的馬提高速度。從機(jī)變頻器對其輸出頻率的調(diào)整最終的目標(biāo)為其自身輸出有功電機(jī)與主機(jī)變頻器發(fā)來的基準(zhǔn)有功電流相同,從而保證了各個(gè)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相同,輸出功率相同。

主機(jī)變頻器在廣播的同時(shí),還接收從機(jī)變頻器反饋信號,以判斷從機(jī)變頻器通信情況及實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。若發(fā)現(xiàn)主從機(jī)之間通信故障,或主從機(jī)變頻器相關(guān)的電網(wǎng)故障,或主從機(jī)變頻器內(nèi)部的重故障,或電機(jī)故障,主機(jī)變頻器立即封鎖輸出停機(jī),并通過光纖通信通知從機(jī)變頻器封鎖輸出停機(jī)。

該控制思想的特點(diǎn)是:能夠使用恒壓頻比控制型變頻器驅(qū)動(dòng)多機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)平穩(wěn)地啟動(dòng)、停機(jī)、以較高的效率變頻運(yùn)行;在出現(xiàn)緊急情況下,可靠地保護(hù)電機(jī)、變頻器。拓展了恒壓頻比控制型變頻器的應(yīng)用范圍,增加了多機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)的選擇范圍,也降低了多機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)變頻改造的成本。由于本方法使用恒壓頻比開環(huán)控制方式,無需速度位置傳感器,無需檢測電機(jī)參數(shù),因而提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性,降低了系統(tǒng)的故障率。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
上述的技術(shù)方案經(jīng)過產(chǎn)品化后驗(yàn)證整個(gè)設(shè)計(jì)方案是可行的并在不同的現(xiàn)場設(shè)備上進(jìn)行了技術(shù)測試和考核。
如在山西省某洗煤廠,雙機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)中,每臺電機(jī)的額定功率為560kW,額定電壓為10kV,每臺電機(jī)均由單獨(dú)的變頻器驅(qū)動(dòng)??刂品桨覆捎帽疚乃撌龅姆桨?,皮帶機(jī)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地啟動(dòng)、停機(jī)、以較高的效率變頻運(yùn)行。其基本運(yùn)行參數(shù)如下表所示,
 表1 主從變頻器運(yùn)行參數(shù)

從上表中可看出,兩臺變頻器輸出頻率分別為48.83Hz、48.67Hz,輸出電流分別為28.9A、29.3A,輸出有功電流分別為26.1A、26.5A,運(yùn)行頻率與運(yùn)行電流基本相同。這保證了電機(jī)的運(yùn)行功率平衡,有助于皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)的長時(shí)間運(yùn)行。
4 結(jié)束語

本文詳細(xì)地?cái)⑹隽俗冾l器構(gòu)成及原理,變頻器調(diào)速與恒壓頻比控制原理,以及如何采用恒壓頻比變頻器驅(qū)動(dòng)控制多機(jī)拖動(dòng)皮帶機(jī)系統(tǒng),對恒壓頻比控制方式、主從控制方式原理做了詳細(xì)的闡述,對多機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)、穩(wěn)定運(yùn)行過程做了具體說明。這種控制方法的變頻器在實(shí)際的多機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)中通過了試驗(yàn)驗(yàn)證。