变频器在带式输送机上的控制应用

李 芬

（太原重工股份有限公司 技术中心 矿山所，山西 太原 030024）

0 引言

带式输送机是利用传动滚筒和输送带之间的摩擦力而运行的连续的运输设备。大多数皮带输送机采用液力耦合启动，较少使用变频器驱动，采用液力耦合的方式无法实现软启、软停，对机械产生剧烈冲击，同时还存在皮带维护等问题，不利于创建节能型社会；变频器控制带式输送机可以节约社会能源、增加企业经济效益，具有重大意义。随着高压变频技术的不断进步和完善，其应用范围越来越广泛。

1 变频技术

高压变频调速技术是20世纪90年代迅速发展起来的一种新型的电力传动调速技术，它应用了先进的电力电子技术、计算机控制技术、现代通信技术等综合性领域的学科技术，其技术和性能超过其他任何一种调速方式。变频调速的特点是：启动能耗低、调速范围宽、动态响应速度快、调速精度高、保护功能完善、易于实现自动化、运行安全可靠、维修方便、安装场地条件比较灵活和应用范围广泛。

目前，主流的高压变频器产品有以下3种类型：电流源型变频器、三电平型变频器和单元串联多电平型变频器。电流源型变频器主要用于超大功率场合；三电平型变频器主要用于非标准电压的电动机；单元串联多电平型变频器可使用于任何电压的普通电动机。

2 变频器对带式输送机的控制

2.1 带式输送机的电气设备组成

带式输送机的电气设备主要包括高压开关柜、高压变频柜、辅助变压器、PLC控制柜、综合保护装置、操作台和电机等，如图1所示。将6 000VAC电源引入高压开关柜，分配到机构动力电源和辅助变压器；控制系统采用PLC方式，为带式输送机提供I/O模块接口；高压变频器对电机独立控制。

2.2 带式输送机的变频控制

变频器对电机实现一拖一控制，变频器之间控制采用通讯方式，具有抗干扰能力强、通讯速率快等特点。带式输送机的变频控制如图2所示。

图1 带式输送机的电气设备组成

图2 带式输送机的变频控制

带式输送机的结构决定了电机最多为2∶2∶2（即头部4、尾部2驱动方式），这就要求我们必须解决同轴驱动的力矩分配问题和不同轴驱动的负荷平衡问题。电机同轴时，控制上采用主从方式，利用CAN总线由主机向从机发送转矩信息，以达到主从控制的目的。因为同轴为刚性连接所以电机间驱动速度相同，力矩通过主从可保证电机间出力也相同，可见同轴驱动的实现方式采用主从控制方便可靠。

带式输送机的难点就在于不同轴的负荷分配。负荷平衡的手段有4种：①变频器配置宏模块软件实现多机调节功能；②通过PLC的PID智能接口实现调节功能；③变频器主板设置多个正负反馈接口以满足多路调节功能；④通过设置速度、力矩上下限来满足变频器的负荷平衡。4种方式各有特点，选择何种方式，取决于带式输送机的结构、现场环境以及变频器的软件模式。

带式输送机系统控制复杂，采用多主多从控制，因此需要定制相应的通讯方案以满足其要求：PLC控制柜与变频器之间采用CAN总线进行通讯，其速率支持标准CAN协议速率，最大支持1MB/s，将整个系统的所有变频器作为CAN通讯的节点，支持变频器间的发送、接收等功能，由主控制柜向其余每个节点发送系统设置参数、各种控制命令和转速信息等，各变频器在主控制柜的控制请求下，回复变频器当前工作状态及转速、功率和电流等参数。

通讯光纤采用硬件双备份架构，两条光纤分开布线，当其中任意一根光纤断裂或者发生其他故障时，自动切换到另一根光纤，切换时间小于2ms。

变频器与带式输送机的综合保护装置对接，可以实现打滑、跑偏、断裂、堵塞和急停等保护。一旦系统出现故障，变频器将发出报警信号。所有故障情况及故障位置均在人机界面上显示出来，便于用户根据故障情况采取相应措施。

2.3 带式输送机的工作过程

运用变频器的软启动功能，将电机的软启动和皮带机的软启动合二为一，通过电机的慢速启动，带动皮带机缓慢启动。由于带式输送机属于大惯量重载启动，因此在启动过程中要采用S曲线加速，以保证启动过程中皮带的受力均匀。

带式输送机正常运行时，需要头尾电机之间进行负荷分配；变频器主机间通过下垂控制方式保证头尾电机输出负荷平衡，同时主机与对应从机间进行主从控制。这样就可以保证整条皮带平稳运行，将皮带张力稳定在额定张力范围。

停车过程中，以相同的速度及减速时间以S曲线进行减速，保证不会产生过大的速度差异，影响皮带机停机。当电机停止运转后，皮带会因重力原因松动至自然状态。

3 变频控制优势

变频调速作为近20年来兴起的一门新技术，因其具有调速平稳、瞬态稳定性高、节能等特性，越来越受到人们的重视。采用变频器对带式输送机控制，不仅有利于提高带式输送机系统的运行效率和运行稳定性，还可给企业带来巨大的社会及经济效益。与传统液力耦合器控制相比，其优势如下：①真正实现了带式输送机系统的软启动；②实现了带式输送机多电机不同轴驱动的负荷平衡问题；③可以根据用户中控室的给定速度调整系统输出，方便皮带机操作；④降低设备的维护量；⑤方便输送带检修；⑥有效减少人力资源；⑦节约能源。因此，随着社会的发展，在带式输送机领域，变频器将最终取代液力耦合器的主导地位。

［1］中国电器工业协会变频器分会.高压变频器应用手册［M］.北京：机械工业出版社，2009.