变频启动器在煤矿带式输送机上的应用.pdf

第 6期 2 0 0 6年 1 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n No ． 6 De c ． 2 00 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 6 0 6 --0 0 5 6 0 3 变频启动器在煤矿带式输送机上的应用 贺建华 ， 鹿守明 ， 丁永红 1 ． 中国矿业大学信电学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ；2 ． 徐州建筑职业技术学院学工处 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 3 ． 徐州矿务集团有限公司庞庄煤矿 ， 江苏 徐州 2 2 1 1 4 0 ； 4 ． 辽河油 田兴隆台采油厂， 辽宁 盘锦1 2 4 0 1 0 摘要 文章阐述了变频启动器如何实现煤矿带式输送机软启动的原理及其较之其它软启动的优点， 详细 介 绍 了变频 启动 器的低 频启 动转矩 保证 原理 、 直接 转 矩控 制技 术 、 启动 时 间和 启动 转矩的设 计及 启动过 程 结 束时电机电源的切换方法等。 关键词 煤矿 ；带式输送机 ；变频启动器；直接转矩控制 中图分类号 T D 5 2 8 ． 1 ； T M5 7 3 文献标识码 B 0 引言 煤矿带式输送机在启动时 ， 由于启动摩擦力大、 收稿日期 2 0 0 6 0 9 0 8 作者简介 贺建华 1 9 6 8 一 ， 男 ， 讲师， 硕士研究 生 ， 主要研 究方 向为电力电子与电气传动， 已发 表多篇论文。 后 ， 求其半个周期的平均值 。 3 ． 4 j 、 ， 的计算 常处于满载状态下启动， 易出现 以下几个方面的问 题 1 启动时冲击载荷引起胶带张力剧增， 影响输 送胶带的使用寿命 ， 甚至拉断胶带； 2 电动机转速 与胶带机转速不一致时造成连接轴断裂 ， 即所谓的 切轴现象； 3 胶带机滚轴转速与胶 带运动速度不 、 ，为 i 的相敏整流平 均值 ， 在 电压 正半周期 间， 求 i 的实际值且累加， 采样次数满 1 8次后， 求 其前半个周期 的平均值 x 、 ， 。在 电压负半周期 间， 求 i 的实际值， 且累加 ， 采样次数满 1 8次后， 求其 后半个周期的平均值 、 ， ， 且取反极性 ， 此 为相敏 电 流。在电流 稳 定状 态 ， 正半 周 的 、 ， 与 负半 周 的 一 、 ，应相等 。 3 ． 5 功 率 因数 的计 算 C O S 应半个周期计算 1次 ， 即功率因数检测的 数据为纯滞后环节， 滞后时间为 1 0 ms 。 3 ． 6 交流 电流的有效值 对 于单相交流正弦波电流， 其半波电流平均值 、 ，与其幅值 的关系为 9 J v 一 兰 7 【 交流电流有效值 与其幅值的关系为 ， √ 2 而 』 一1 ． 1 v ， 根据 I J v 可 以求 出交流 电流有效 值 J 。 3 ． 7相敏 信号 的处理 采集到功率因数和 电流幅值信号后 ， 把两者按 一 定的关系相“ 与” 得到 CO S 。 一c 式中 r 是 电流倍数 ， 为实际工作 电流与最大 短路电流比值； 根据 电网负荷大小不 同， 选择不同的 ，可得到不同的工作 区， 从而得到最佳保护效果 。 4 结语 用相敏保护原理实现井下长线路发生三相短路 故 障的主保护， 可 以解决大容量 鼠笼式异步电动机 启动电流与线路末 端最小两相 电流难 以区分的问 题 ， 使大型电动机启动造成误动的现象大大减少 ， 提 高了三相短路保护的灵敏度。本文提出的基于功率 因数检测的相敏对称短路保护 的实施方案 ， 具有抗 干扰性能好、 动作准确 、 实施 电路简单的优点 。 参考文献 [ 1 ] 国家安全局．煤矿安全规程[ M] ． 北京 煤炭工业出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ] 崔景岳， 刘思沛， 聂文龙． 煤矿供电[ M] ． 北京 煤炭工 业 出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 3 ] 宋 建成 ， 梁毅龙 ， 盂润泉． 矿 用隔爆 型真 空馈 电开 关 中 的过电流保护r J ] ． 继电器， 1 9 9 9 ， 2 7 5 ． r 4 ] 金磐石 ， 王永 明． I 9 6系列单 片微 型 机应 用详 解 [ M] ． 北 京 电 子 工 l l 出 版 社 ， 1 9 9 2 ． 维普资讯 2 0 0 6年第 6期 贺建华等 变频启动器在煤矿带式输送机上的应 用 5 7 一 致时， 胶带抖动或滚轴磨损胶 带 ， 甚至摩擦起 火 ； 4 异步电动机本身启动电流过大冲击 电网等 。因 此 ， 煤矿安全规程 中明确规定 带式输送机应加设 软启动装置_ l J 。 目前 ， 随着计算机控制技术 和电力电子器件技 术的迅速发展及其成本的降低， 异步电动机的变频 启动器已成为带式输送机较为理想的启动装置。它 能控制带式输送机在启动过程 中保持平稳 、 快速有 力 ， 有效地控制胶带张力 ， 延长胶带的使用寿命并 防 止各种事故的发生。 1 低频启动转矩 根据异步电动机的转速公式 1_ S 1 l一 L l ， P 即电动机 的转速 与电源频 率 - 厂 成正 比。采 用变频启动器启动电动机时 ， 三相电源通过交 直 一 交变换对电动机供电， 开始时供电频率远低于工 频 5 0 Hz ， 然后逐渐增大 ， 使 电动机平稳启动， 直至 电动机达到额定转速后， 电动机切换到 5 0 Hz的工 频交流电源 ， 启动过程结束。众所周知， 异步电动机 的特点是启动电流大而启动力矩 小， 所 以变频启 动 关键要解决的问题就是在降低 电源供电频率的同时 如何保持较大的启动转矩 。 根据传统 的异步电动机理论 ， 要使启动时有较 大的启动转矩 ， 则 电动机 的气 隙磁 通 应 不变 。 根据异步电动机感应 电动势公式 E 一 4 ． 44 ．厂 1 N1 k l 2 当电源从额定频率 向下调节时， 为保持电动机 气隙磁通 不变 ， 应保持 E ／ J 常数。然而 电动 机 的感应电动势难 以检测和控 制， 实际检测和控 制 的是定子电压 L ， ， 当供电频率 ／ ’ 较高时 ， U ≈￡。 ， 通过保持 U ／ J ‘ 一常数 如图 1中的曲线 1 所示 实 现恒压频比控制方式 ] 。但 电动机 启动时 ， 变频 器 供电频率低于额定频率 5 0 Hz ， 特别是刚开始启动 时 ， 供电频率远低于工频， 由于电动机定 子阻抗 的影 响 ， 这时U。 ≈ E 。 就不成 立 了 。 为 保证 电动机 在 低 图 1 变频器频率与 电压 的关 系图 速时有足够大的启动转 矩 ， 应在 l， 较小 时， 进行适 当的电压 L ， 补偿 ， 使 L ， ／ _ 厂 的值随 _厂 的降低而略 增加口 如图 1中的曲线 2所示 。 2 直接转矩控制技术 异 步电动机磁通 和电压之问的关系相 当复杂 ， 如式 3 所示 u 一 {惫 兰 笔 j 3 式 中 k为定子磁 通和 电压矢量 之间的传递系 数 ， 其它参数为异步电动机 的定子和转子 的等效电 阻和电感值 ] ， 其 中定子和转子 的电阻 R 与 Rz 随 温度的变化而变化。因此 ， 在 电动机低速 、 -厂 较小 或很小时 ， 如何进行定 子 电压 U 的适 当补偿很关 键 。如果补偿不当， 会 造成 电动机输出转矩 即本文 中的启动转矩脉动， 达不 到平稳快速地启动胶带机 的 目的 。 直接转矩控制技术 ， 即用空间矢量分析方法 ， 直 接在定子坐标 系下计算 与控制交流电动机的转矩 ， 借助于双位模 拟调节器产生 P WM 信号 ， 它把转矩 直接作为被控量 。因此 ， 从控制转矩的角度 出发， 此 时变频器 的输 出电压并 非正弦波波形 ， 而是采用离 散的电压状态获得近似六边形的磁链轨迹 ] 。其控 制方式 通过转矩两点式调节器把转矩检测值 与转 矩给定值进行滞环 比较 。 从 而把转矩波 动限制在一 定的容差范围内， 实现 电动机转矩可控 。通 过这种 控制技术， 在 f 。 0 ． 5 Hz时 ， 电动机输 出转 矩达到 额定转矩 的 1 8 0 l 5 ] ， 由于此时供电频率低 ， 电动机 的转速很低 ， 启动力矩却很大 ， 能够迅速克服静摩擦 力牵引胶带机启动。 直接转矩 控制技术把转矩直接作 为被控量 ， 直 接控制电动机的输出转矩 ， 但事实上， 电动机的输出 转矩为不可测量 的量 。 因此 ， 直接转矩控制 系统 ， 采 用状态重构的方法观测和计算电动机的转矩 。 根据磁通在 a 一 坐标系的 a 轴分量理论。 有 T P 中l 1 一 】 口 i 1 。 4 式 中 T为 电动机 的电磁转矩； P为磁极 对数 ； 和 i 分别是电动机定子的磁通和电流 ， 由异步电 动机矢量控制系统 的磁通 观测 电流模型 法， 可 以得 到 和 依赖于电动机电感参数的模型 。通过这 种方法 ， 只需知 道定子 电阻 随温度变 化而有所 变 化 、 电压和电流的检测量 ， 即可计算出转矩 ， 从而与 给定转矩 比较 ， 实现转矩的控制⋯ 。 维普资讯 - 5 8 工矿 自动化 2 0 0 6年 1 2月 3 启动时间与启动转矩设计 3 ． 1 启动时间 t 的选择 胶带机启动时 间 t 的选择与胶带 的长度和胶 带机的额定负载转矩 T 。 ， 有关， 启动时间由式 5 确 定 ， 即 t ≥ C ／ v 5 式中 t为从零到额定带速所需 时间； L为输送 速带长度； 为胶带 内张力波的传递 速度 ， 对钢绳 芯带 一1 8 0 0 m／ s ； 对纤维带 一1 2 0 0 m／ s 。按 式 5 确定 的启动 时间 t 启动时， 其启动 张力 的峰 值依然较大 ， 美国道奇 DO DG E 公司推荐每千米胶 带长度需要 1 mi n的启动加速时间[ 6 ] 。 3 ． 2 启 动转矩 T 的选择 启动转矩 的大小与负载转矩 丁 和启动时 间 t 有关 ， 并考虑一定的过载系数 ， 可根据下面的 公式设定电动机的启动力矩 T 即 r T 一 1 ． 3 TL 6 [s t 式中 T ’ 为电动机的启动转矩， Nm； T - 为折 算到电动机轴上的负载转矩 ， Nm； n 为电动机的 额定转速 ， r ／ mi n ； t 为设定的启动时间， S ； J为折算 到电动机轴上的转动惯量 ， k g m。 。变频器的数字 控制系统根据选定 的启 动转矩 丁 和启 动时间 t 连续调节电源频率和电源电压 ， 可 以获得一组平行 的机械特性 由于采用了直接转矩控制技术 ， 把转 矩波动限制在给定值的容差范 围内 J ， 电动机的过 载能力 不变。电动机刚开始启动瞬问， 由于要克 服静摩擦力， 应设定启动转矩大些 。电动机先从低 频开始启动 ， 平滑地增加变频装置 的频率 ， 可获得平 稳 、 且快速有力的启动效果。 4电源切换 当胶带机启动转速达到或接近于额定转速时 ， 就完成了其启动过程 ， 这时需切除变频器并将电动 机投入电网。但是 ， 当电动机断开变频器时， 其定子 电流马上变为零， 根据转子回路磁链守恒的原则 ， 转 子电流不能立即变为零 ， 它将作为激磁 电流而产生 气隙磁通 ， 形成旋转磁场 ， 并会在定子绕组 中感应出 三相电压， 其相序、 相位与断开前变频器输 出电压相 同。由于变频器输 出经历 了交一直一交变压变频的 过程 ， 变频器的输出电压的相序、 相位与电网电压无 关 ， 因此不能直接在切除变频器时将 电动机投入 电 网。否则， 在电动机投入电网的瞬间， 如果两者刚好 反相 ， 将会产生很大的冲击 电流。因此在控制系统 中需加入锁相环路 ， 用于 比较变频器输 出电压与 电 网电压， 当两者相位 、 相序和频率一致时， 进行锁定 ， 再进行切换 。 锁相环路 由鉴相器 P D 、 环路滤 波器 L F 和 压控振荡器 VC O 组成 ， 如 图 2所示 。其基本原理 是以电网电压的相位信号 0 ￡ 作为基准， 变频器输 出的电压相位信号 作为跟踪信号 ， 鉴相器 比较 2个信号 的相位 ， 输出一个正 比于 2个信号相位差 的电压信号 U ￡ ， 经滤波后作为变频器的控制信 号 ， 用以控制变频器输出电压 的频率和相位 j 。当 两者的频率相 等且相位差稳定在一个较小 的数值 时， 称为锁定， 此时输出一个切换信号， 以便安全、 平 稳地由变频器切换到电网。 图 2 锁相环路的组成示意 图 5 结 语 变频启动器除了上述启动性能外 ， 还具有很好 的调速性能， 经过一定的改装 ， 可控制多台电动机 。 虽然 目前变频启动器 的价格仍 比较高 ， 但通过它可 获得非常好 的启动性能 ， 满足胶带机的启动特性 ， 并 克服其它一些胶带机软启动器在低速区的缺陷。使 用变频启动器 ， 可适 当降低胶带本身的强度 ， 延长胶 带的寿命 ， 有效地防止胶带机启动时可能 出现的许 多事故， 所以仍具有非常好 的综合效益 ， 整体使用成 本是下降的。变频启动器是 目前值得推广的一种优 良的启动方式 。 参考文献 [ 1 ] 煤矿安全规程及相关法规 编写组． 煤矿安全规程及 相关法规[ M] ．北京中国言实出版社， 2 0 0 5 1 1 5 ． [ 2 3 李铁才， 杜坤梅． 电机控制技术[ M] ．哈尔滨哈尔滨 T业大学 出版社 ， 2 0 0 0 1 1 l 1 ． [ 3 1 工毓尔． 电机学[ M] ．杭州 浙汀大学 版社，2 0 0 1 5 4 4～ 54 6． [ 4 3 李永东． 交流数字控制系统[ M] ．j E 京 机械工业出 版礼 ， 2 0 0 2 2 6 O ～2 8 4 ． [ 5 3 彭巨光 ， 谢勇．异 步 电机 变 频 起 动与 切换 的分 析 [ J ] ．节能技术 ， 2 0 0 2 4 2 1 ～2 2 ． [ 6 ] 李华德． 交流调速控制系统[ M] ．北京 电子工业出 版社 ， 2 0 0 3 2 0 O ～2 0 1 ． [ 7 ] 丁学 文 ， 金 大海 ． 交流 电机变频 起 动时 的问 题及 解决 方法[ J ] ．电力电子技术， 2 0 0 1 5 1 ～2 ． 维普资讯