变频器在铁矿皮带机上的应用

李岩，王林

(1 沈阳理工大学，辽宁沈阳110168;2 鞍山市权晟电子电力有限公司，辽宁鞍山114011)

0 引言

某铁矿厂为增加产量，需提高破碎车间的运输能力，4#皮带机被选为首批改造对象，原4#皮带机为单驱，即为一台电机拖动一台减速器，减速箱与主驱动轮采用刚性连接，主驱动轮带动皮带运行。改造内容为:(1)将原有一台250kW 电机单驱，改变为两台200kW 电机驱动;(2)双电机分别驱动两台减速器，减小速比，由原来的50∶1 变为40∶1，提高了最高速度，变为原来的1.25 倍速度;(3)两台减速器同时驱动一个主驱动轮，皮带宽度、厚度以及长度没有变化;系统设计带载能力为2 100t。

4#皮带机改造后的电气系统采用两台三相异步变频电机和两台VACON NXP 变频器，两台变频器组成主从控制系统，完成负载分配和同步控制。变频器采用高性能的转子磁场定向矢量控制算法控制异步电动机。

1 转子磁场定向矢量控制模型分析

在三相异步电动机中，存在3 种磁场:定子磁场、气隙合成磁场、转子磁场。在转子磁场定向控制中以转子磁场定向作为坐标系统的实轴，定子电流在定向磁场方向的分量称为励磁电流分量，与定向磁场垂直方向的分量称为转矩电流分量。

转子磁场定向控制就是将公共坐标系统建立在转子定向磁场上，即P 轴与转子磁链ΨvRPQ重合，Q 轴超前转子磁链矢量90°电角度。图1 为转子磁场定向坐标系统图。图中，1vR为电机转子静止两相坐标系统下的单位转子矢量，jvR为超前1vR矢量轴90°电角度的单位矢量，即为虚轴单位矢量。1vRP为电机转子定向磁场P 轴的单位转子矢量。

图1 转子磁场定向坐标系统

为了简化数学模型，假设三相变频异步电机磁场定向控制系统中定子三相绕组星型连接，则零轴各种矢量分量为0，不用考虑零轴分量方程。另外三相变频异步电机转子绕组本身是短路的，转子电压等于0。推导得到三相变频异步电机以转子磁场定向的PQ0 坐标系下的方程［1］如下

电机定子电压方程

式中，RS—定子一相绕组的等效电阻;ω1=ωPS—转子磁链相对于定子静止坐标系统的角速度，即转子定向磁场的电角速度;p—微分算子。

电机转子电压方程

式中，RR—转子一相绕组的等效电阻;ωS=ωPR转子磁链相对于转子静止坐标系统的角速度，即转差角速度。

式中，Ls—两相坐标系中定子等效两相绕组的自感;Lm—两相坐标系中定转子等效两相绕组之间的互感最大值。

式中，Lr—两相坐标系中转子等效两相绕组的自感。

电磁转矩表达式

式中，Pp—电机的极对数。

为获得转子磁场定向坐标系统中感应电机的数学模型，将定子电压方程式(1)中的定子磁链ΨSP、ΨSQ用定子电流iSP、iSQ转子定向磁链ΨRP来表示。由式(3)与式(4)联立消除转子电流iRP、iRQ得到定子磁链表达式，然后代入式(1)得到转子磁场定向坐标系统下的定子电压方程阻RR有关。

电机转子机械运动方程可表示为

式中，J—电机转动惯量;D—电机转轴的阻尼系数;TL—负载转矩;ωr—转子电角速度。

3 变频主从控制系统的实现

破碎车间4#皮带机电控系统改造，采用的三相变频异步电机参数:电机型号:YVF2-315L2-4-200kW;电机极数:4 极;调频范围:5 ～50Hz 恒转矩调速;50 ～75Hz 恒功率调速;额定电流:359A;额定电压:380V。

变频器采用VACON 的矢量控制型变频器:NXC0520 5G2L0SSFA1A200C2D2 变频器，VACON变频器具有IEC 61131-3 编程平台软件，在应用层软件对用户开放，编程语言可以用功能块图(FBD)，结构文本(ST)和顺序功能图(SFC)三种语言。在变频器应用层内置同步控制算法程序比外置控制器如PLC 等具有运算速度快、抗干扰性强的特点，主从控制算法程序就是内置到变频器中。两台变频器采用主从控制，通过D2 卡采用光纤通信。上位机PLC 通过RS-485 通信C2 卡完成远程控制。变频器控制系统框图如图2所示。

图2 变频器控制系统

4#皮带机是双机驱动，两台三相异步变频电机分别经过各自的减速机后驱动同一个主驱动轮。带负载调试系统时，先进行单电机带载调试，调试完成后再进行双机主从驱动带载调试。

单机带载调试前先根据电机名牌参数和控制要求，对变频器参数进行如下设置见表1。

表1 变频器参数

初始阶段单电机带载调试时，当负载加到710t 时，启动变频器就出现过电流报警。经分析得出由于电机铭牌中没有给出电机的额定速度，变频器采用的是4 极电机1 440rpm 为额定速度设定，变频器默认的电机励磁时间为200ms，此三相异步变频电机实际额定转速为1 470rpm，电机励磁时间接近500ms，在启动时磁场没有及时建立起来，导致启动时过流报警。修改变频器参数

P2.4.8 DC-Brake Current 300 A

P2.4.11 Start DC-Brake Tm 1.00 s增加1s 的直流启动时间，先建立起磁场，变频器再启动，就不再发生启动过流报警。

单电机起动，皮带机带负载740t 时负载曲线如图3 所示。启动时最大极限电流为402A，加速期间电流为183A，电流平稳，电机转矩为电机额定转矩的50%。

图3 单电机740t 负载启动曲线

单电机起动，皮带机带负载1 050t 时负载曲线如图4 所示。启动时最大极限电流为407A，加速期间电流为242A，电流平稳，电机转矩为电机额定转矩的71%。

图4 单机1050t 负载启动曲线

两台电机分别单电机带载调试通过后，然后进行双机主从控制带载调试。在单机设置的参数基础上，主从变频器还需要设置主从控制参数，见表2。

表2 主从控制变频器参数

变频器主机和从机都采用速度控制方式，主机的参考速度由上位机PLC 通过RS485 总线控制给出。从机的参考速度采用主机的参考速度，通过D2 卡的光纤通信，由主机变频器给出。为了平衡两台电机的负载，设置参数P2.6.15 Load-Drooping=5.00%。

双电机主从驱动同步起动，皮带机带负载1 800t时负载曲线如图5。起动时从机最大极限电流为409A，加速期间电流为196A，电流平稳，电机转矩为电机额定转矩的54%。

图5 双机驱动1800t 负载启动曲线

双电机主从驱动启动，皮带机带负载2 110t时负载曲线如图6。启动时从机最大极限电流为414A，加速期间电流为217A，电流平稳，电机转矩为电机额定转矩的60%。

图6 双机驱动2110t 负载启动曲线

经过调试和修改变频器参数，实现了系统设计的单电机和双电机带载工作。

4 结语

本文中设计的双电机主从皮带机控制系统，完成了双机拖动2 100t 物料的设计要求，从启动负载曲线上可以分析得出如下结论:单机驱动和双机同步驱动都达到了皮带机负载设计能力，并且电机还具有一定的带负载余量，达到了系统设计的要求。现场设备运行几个月，电控系统运行稳定、可靠。

低压变频器技术已经是成熟的技术，采用低压交流变频器控制系统具有性能可靠、故障率低、价格低廉、操作简单、方便的特点。此双机变频调速系统方案可以应用到各类皮带驱动设备中。

［1］ 谢宝昌，任永德. 电机的DSP 控制技术及其应用.北京:北京航空航天大学出版社，163-164.

［2］ 马志云.电机瞬态分析［M］.北京:中国电力出版社，1998.5.

［3］ 王晓明，王玲.电动机的DSP 控制.北京:北京航空航天大学出版社，2004.1.