皮帶運輸機專用高壓變頻器的設計
摘 要：本文針對由3臺高壓異步電機拖動的皮帶運輸機，若采用常規高壓變頻器實現調速控制時，將出現對轉差能量處理、多電機環流、3電機同軸同步控制等技術難度問題。設計出了一種JCC型皮帶運輸機專用高壓變頻器，成功地應用在大同馬脊梁煤礦外運皮帶機。共用了3臺6kV/500kW高壓電機的變頻拖動。拓展了IGBT高壓變頻器在多電機的同軸、同步控制應用的新領域。
關鍵詞：高壓變頻器；電動機同軸；IGBT直接串聯；主從控制；共直流母線；同步控制；功率平衡；轉差能量
1 引言
近幾年隨著電力電子技術、微電子技術、控制技術、網絡化技術的高速發展，交流變頻調速技術發展也十分迅速，其性能也勝過其他任何一種交流調速(如降壓調速、滑差調速、液力耦合器等)方式，且結構簡單，穩定可靠，調速范圍廣，節能顯著。尤其是最近高壓變頻器的飛速發展，讓高壓電機高性能地調速變為現實。但現在多數的三電平、單元串聯類的高壓變頻器，存在對大能量回饋時還不能解決的問題，只能應用于風機、泵類的應用領域。
大同馬脊梁煤礦外運皮帶機采用三臺高壓電機并聯拖動，且電機安裝在三樓，整套系統是由工作在額定轉速的三臺500kW高壓異步電動機，通過液力耦合器與減速機減速來驅動滾筒，然后通過滾筒與皮帶間的摩擦力來帶動皮帶運轉。傳動系統的配置如圖1所示。
圖1 傳動系統的配置圖
系統控制的對象是電機，一般M1和M2為同軸電機(即兩臺電機同時拖動一個滾筒)。這就要求電機啟動有良好的同步性。系統的關鍵傳動設備是液力耦合器，液力耦合器存在著起動力矩很小、動態響應慢的性能因素，便出現一些不理想的現象，主要表現在：
(1) 投入耦合器前要先將電機全頻、全壓啟動后再加液壓去耦合減速器。這種啟動方式啟動電流大，啟動力矩小，投切時機械振動大、可能會使皮帶受沖擊大而易斷。皮帶主機又安裝在樓上，隨著使用時間的延長，樓房因劇烈振動出現嚴重受損;
(2) 液力耦合器的機械磨損和老化、漏油等問題日趨嚴重，性能逐年降低，故障率增加，設備維修費用高、難度大;
(3) 皮帶機效率低，損耗大，耦合器的投入造成了耦合性無功轉差，使電能浪費;
(4) 液力耦合器故障時，無法切換到工頻旁路運行，必須停機檢修。且維修復雜，嚴重地影響生產;
(5) 液力耦合器不能解決3臺電機同軸傳動間的同步與功率平衡關系，造成不少的無功環流電耗。
針對以上問題，經礦局相關專家在全國的考察和技術論證，選用成都佳靈電氣制造有限公司生產的JCC-6kV/500kW-IGBT直接串聯高壓變頻器，3臺共直流母線方案。經局領導批準采用該方案，實現高壓變頻器對外運皮帶機進行高性能的工藝調速、節電控制的改造計劃。
2 對高壓變頻器主要技術條件的要求
煤炭外運皮帶機是全礦的流程中樞，一旦皮帶機不能正常工作，將造成全礦停產，且會造成巨大經濟損失。另外高壓變頻器須安裝在環境相當惡劣，煤灰比較重，粉塵大的場合。因此要求高壓調速系統具有極高的可靠性、穩定性、防護性。基于以上工作特點，變頻器設計中須滿足的主要技術條件如下：
(1) 高壓變頻器具有高可靠性、穩定性、防護性。長期運行的質量指標;
(2) 變頻器具有工頻運行的旁路功能，一旦出現故障，能夠讓電機切換到工頻運行;
(3) 高壓變頻器能夠對3臺電機的同軸同步軟啟動，軟停止功能。起動、停止能按所設定的皮帶特性曲線運行。在運行過程中能夠自動地實現轉差調節和功率平衡調節;
(4) 變頻器的輸出力矩不小于電動機額定力矩的200%，可使電機能輸出200%的起動輸出轉矩1min。滿足負載變化大的承受能力和煤炭壓帶時的再起動的能力;
(5） 具有制動能量和電機的轉差再生能量的利用功能;
(6) 須滿足煤礦電控系統的功能接口和監控要求;
(7) 皮帶運輸機在煤量不大和在安裝皮帶的情況下要求降速運行，不需要滿負荷運行。利用高壓變頻器根據實際情況對電機進行調速，既符合工藝要求，又達到節能降耗的目的;
(8) 變頻器啟動過程要求平穩，無沖擊，另要求體積小，好搬運;
(9) 其它條件:同軸兩臺電機采用共直流系統，調速系統分開，單臺電機單獨控制。
：鞏經理
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