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大功率带式输送机软启动系统的探讨

2019-09-04 14:44:40 水阻柜网 阅读

1、前言

带式输送机的“软启动”指输送机在重载工况下可控制地逐步克服整个系统的惯性而平稳地启动。本文重点从机械上选择CST可控软启动、从电气上选择变频控制( VFC)2种驱动方式进行分析,并对变频控制进行了现场测试,为带式输送机选用合理的软启动装置提供依据。

2、可控软启动装置

CST( Controlled Start Transmission)是由美国DODGE公司研制开发的一种新型机电一体化产品,它由多级齿轮减速器、湿式线形离合器、液压系统及控制系统组成。CST是一种液体黏性调速器(又称黏滞离合器、油膜离合器),它是通过改变离合器片的间距达到改变黏性液体间的剪切力来改变传动力矩的。CST具有以下优点:(1)带式输送机可使用单台,亦可使用多台CST,启动负载之前驱动电机空载启动,而CST输出轴并不运动。在电机达到额定的速度之后,通过控制系统使每台CST离合器的液压力逐渐增加来缓慢、平稳地对输送带进行张紧,输送带平稳地加速到全速,从而输送带受力平稳,其安全系数一般可由10降到5;(2)由于电机的选择是基于运动条件而不是启动条件,从而使用CST时电机的功率及尺寸可减小到最小;(3)带式输送机启动平稳,可在较低的力矩及加速度状态下投入运行,消除输送带过大的张力;(4)该系统可防止输入到带式输送机时的功率及力矩超过安全限度,以保证带式输送机过载时不能运行,从而保护该系统的其他部件;(5)其启动系数为1左右,所选择输送带的强度可降低30%左右。CST装置的缺点是:(1)驱动电机空载启动,不可避免地会出现大的起动电流,严重的会引起电网电压的波动;(2)提高的仅是机械的传动效率,对整个传动系统的总体效率贡献不大;并且运行中发热量极大;(3)CST用油的质量要求高,液压及控制系统复杂,备件难以供应,维修困难。

3、变频控制

变频控制也是一种直接驱动方式。其技术优点:完全可调节起动速度斜率,软启动、软制动性能良好;电机+减速器+驱动装置’的驱动方式,占地少、无CST的漏油麻烦;节能效果明显,无运行功率损耗;可以实现多台驱动电机之间的功率平衡;响应速度快,调速性能好;变频装置为感应电机提供变化的频率和电压,产生优良的启动转矩和加速度。当然变频也有其技术缺陷:无法实现多台电机的分时空载启动;变频器的工作原理导致对电网的谐波影响;受防爆外壳的限制,功率容量一般在400 kW/1140 V以下。变频控制本身是一个电力电子控制器,可以从零点几马力到几千马力,把AC整流成DC,然后利用逆变器,再将DC转换成频率、电压可控的AC。采用矢量控制或直接转矩控制(DTC)技术,能根据不同的负载采用不同的运行速度。根据给定的S曲线启动或停车,实现了自动跟踪启动或停车曲线。这种驱动方式为传送带启动提供了优良的速度和转矩控制,也能为多驱动系统提供负载均分。变频控制器可以容易地装在小功率传送驱动上,但是,过去在中高电压使用时,变频控制的结构由于电力半导体器件的电压额定值限制而变得很复杂,中高电压的变速传动常常使用低压逆变器,然后在输出端使用升压变压器,或使用多个低压逆变器串联来解决。与简单的器件串联连接的两电平逆变器系统比较,由于串联器件之间容易均压以及输出端可以有更好的谐波特性,三电平电压型PWM逆变器系统在数兆瓦工业传动中近年来获得了越来越多的应用。由3台750 kW/2.3 kV的这种逆变器构成的变频控制系统已经成功地安装在成庄煤矿长

2.7km的带式输送机驱动系统中。

下面首先介绍一下三电平逆变器的基本工作原理。

3.1使用IGBT的中性点箝位三电平逆变器

由于串联器件电压均分容易,器件每次开关的dv/dt低,以及输出端出色的谐波品质,三电平电压型逆变器在大功率传动应用中变得越来越流行。高压- IGBT( HV - IGBT)的出现使得应用三电平中性点箝位拓扑的中高压逆变器设计有了更大的应用范围。这种逆变器目前可以实现从2.3~4.16 kV全范围的应用。HV - IGBT模块串联可使用在3.3 kV和4.16 kV的设备。2.3 kV逆变器每个开关只需要一个HV-IGBT。

与两电平电压型逆变器相比,三电平中点箝位电压型逆变器提供3个电压级别给输出端,对于同样的输出电流品质,开关频率可降低到原来的1/4。并且开关器件的电压额定值可减小到原来的1/2,附加到电机上的额外的瞬态电压应力也可能减少到原来的1/2。主功率逆变电路用三电平中点箝位电压型逆变器实现,可以满足中高压交流传动应用的需要。图1为输入端带有12脉冲二极管整流器,输出端为三电平电压型逆变器的主回路电路图。

三电平中点箝位电压型逆变器的开关状态可归纳于表1。U,V和W分别表示三相;P,Ⅳ和0是直流母线上的3个点。例如,当开关SIU和S2u闭合时,U相处于状态P(正母线电压),反之,当开关S3U和S4U闭合时,U相处于状态Ⅳ(负母线电压)。在中性点箝位时,该相在D状态,这时根据相电流极性的正负,或者是S2U导通或者是S3U导通。为了保证中性点电压平衡,在0点被注入的平均电流应该是零。如表1所示。

3.2输入端整流器

对于标准应用,通常使用12脉冲二极管整流器给直流环节电容器充电。这种拓扑在输入端引入的谐波是很小的。如果对输入谐波有更高的要求,可以使用24脉冲二极管整流器作为输入整流器。对于需要有再生能力的更高级应用,可以用一个有源输入整流器取代二极管整流器,这时输入整流器与输出逆变器为同一结构。这样在整个速度控制范围内就很容易实现极佳的恒转矩和低的电机损耗。

3.3逆变器控制

 (1)电机控制

感应电机的控制可以使用转子磁场定向矢量控制器实现。图2所示为间接矢量控制框图,通过使用PWM调制器完成了恒转矩区和高速弱磁区的控制。在这个图中,指令磁通是速度的函数,反馈速度和前馈滑差控制信号相加。对相加结果的频率信号积分,然后产生单位矢量。最后通过矢量旋转器产生电压控制PWM调制器。

 ( 2) PWM调制器

要求的电压矢量是通过使用一个精巧的PWM调制器产生的。该调制器实际上是把空间矢量调制概念扩展到三电平逆变器。其基本原理可以用规则采样的正弦波一三角波比较的两电平PWM来解释。与两电平PWM不同的是,三电平PWM调制器使用2个参考波,但只使用一个三角波。以一种优化方式确定每一次开关时刻,通过优化同时达到如下几个目的:①使产生的谐波尽可能的小;②使用尽可能低的开关频率以最小化开关损耗;③如在两电平逆变器中一样,将零序成分加到每一个参考波里以便最大化基波电压;④作为一个附加的自由度,参考波与三角波的相对位置可改变。这个可用于直流环节中点的电流平衡。

3.4测试结果

在国内煤炭行业中,大型输送机变频控制应用也越来越广泛。3个750 kW/2.3 kV三电平逆变器在晋城矿务局成庄煤矿2.7 km长带式输送机驱动系统成功安装之后,对整个变频传动系统的性能进行了测试。测试结果显示出使用该控制系统的带式输送机的优良特性。所有检测结果显示出带式输送机驱动系统令人满意的特性,并且运行中也显示了其节能的优越性。

4、结语

近年来,大型带式输送机驱动控制技术的发展与进步给用户提供更可靠、更节约成本、更高性能的传送驱动系统选择。在这些选择中,变频调速方法由于在长距离传送驱动中的优良性能显示出更有希望的应用前景。使用高压IGBT的中点嵌位三电平逆变器本身就可以提供电机终端所需的供电中高压,从而消除在过去大部分此种应用中需要的升压变压器,使中高压变频控制应用变得更简单。


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