1、變頻器在運輸機系統的應用煤炭科學研究總院上海分院測試中心2010-9-15 目前，煤礦膠帶輸送機發展方向： 高速度(5.6m/s) 大運量(年產量2000萬噸） 長距離（主井4.7km、大巷9km、順槽6km) 大傾角(35度)、 大功率(單機2240KW，總裝機功率3*1800+3*1800kW） 大型帶式輸送機的性能、可靠性、經濟性和使用壽命在很大程度取決于驅動裝置的性能。 一、運輸機對驅動裝置的基本技術要求一、運輸機對驅動裝置的基本技術要求 起動加速度不大于03m / s2 的慢速起動； 多臺電機的功率不平衡誤差不大于 3%的自動平衡的功能； 下運電控系統應具有控制減 （ 加）速度不大于

2、08m / s2時實施制動的功能； 實現低速驗帶功能； 滿足運輸機恒轉矩負載特性； 實現重載啟動。二二 、幾種運輸機驅動方式的比較、幾種運輸機驅動方式的比較 目前國內井下帶式輸送機的驅動方式常用的有：電氣軟啟動、CST、調速型液力偶合器、變頻器等。 電氣軟啟動實質是降壓啟動，故機械特性偏軟，難于滿足大功率的帶式輸送機重載啟動的要求。 通過以下比較，從實現驗帶功能、功率平衡精度、節能、初期投資、后期維護等方面看，變頻驅動有著明顯的優勢。 序號特性CST調速型液力偶合器變頻起動1軟起動特性好較好好2控制系統復雜簡單簡單3功率平衡較好較好好4傳動效率高較高高5可靠性可靠可靠可靠6體積大最大小7運行成

3、本高低最低8節能高低最高9價格（1000KW以上）高低最低10低速驗帶困難困難可以CST、調速型液力耦合器、變頻驅動方案比較變頻驅動的運輸機起動過程中3臺電機的電流曲線 （晉城礦務局成莊煤礦主斜井運輸機實測）三、變頻器在運輸機系統上的適應性三、變頻器在運輸機系統上的適應性 1、軟啟動對于籠型或繞線轉子異步電動機，其轉速為 n=60f(1-s)/pn 式中 s=轉差率變頻調速是最為理想的調速方法 電壓源型交-直-交變頻器應用最多。 IGBT綜合了MOSFET和GTR的優點，既有MOSFET電壓控制型器件驅動功率小、開關頻率較高（一般為20kHz以下）的特點，又有GTR電壓電流值較大的長處。因此，

4、在中等容量的變頻器、逆變器中，得到了廣泛的應用。 變頻驅動的運輸機啟動時的速度（紅色）曲線 （晉城礦務局成莊煤礦主斜井實測）2、恒轉矩負載特性 恒轉矩負載在不同的轉速下，負載的阻轉矩基本恒定，由PL=TLnL/9550知，恒轉矩負載的功率是和轉速成正比的。恒轉矩負載的典型例子如帶式輸送機。帶式輸送機變頻驅動有節能效果也基于此，運量小時可低速運行。 對于恒轉矩負載來說，應首先考慮選用具有無反饋矢量控制功能的變頻器，使電動機在變頻后的大部分頻段，具有真正的恒轉矩特性，較好地滿足負載的要求。3、重載啟動 運輸機要求啟動力矩達到額定力矩的1.5倍。一般來說，凡是在工作過程中可能使電動機短時過載的場合，

5、變頻器的容量都應加大一檔。 4、變頻調速的制動 下運運輸機在超速時有制動要求，變頻器可滿足其制動要求。通常有兩種方式： 1）外接制動電阻和制動單元 2）有源逆變5、功率平衡 運輸機多電機驅動有功率平衡要求，起到均衡電機壽命的目的。功率平衡多采用主從方式，例如2：1布置的機頭集中驅動的運輸機，3臺變頻器一對一驅動3臺電機，其中一臺設為主機，另外兩臺設為從機。變頻器之間的數據交換可通過以下途徑實現： 1）變頻器之間主從控制板光纖連接； 2）變頻器與控制系統的控制器通訊連接，數據交換通控制器轉發； 3）變頻器之間的數據交換通過變頻器模擬量輸入/輸出口連接 。主機和從機之間為剛性連接時控制原理速度給定

6、速度PI調節器速度力矩選擇力矩電流轉換器速度調節器模式主機編碼器反饋速度給定速度PI調節器速度力矩選擇力矩電流轉換器力矩調節器模式從機編碼器反饋視窗控制主機和從機之間為柔性連接時控制原理 速度給定速度PI調節器速度力矩選擇力矩電流轉換器速度調節器模式主機編碼器反饋速度給定速度PI調節器速度力矩選擇力矩電流轉換器速度調節器模式從機編碼器反饋轉差率四、變頻器與運輸機控制系統的接口四、變頻器與運輸機控制系統的接口1、通訊方式 變頻器可以通過標準的通訊協議（如Profibus-DP、Modbus、Devicenet等）與控制器之間交換數據。2、變頻器和控制系統的I/O接口 變頻器與控制系統的交換數據可

7、通過變頻器配置的I/O 口來實現。變頻器配置的模擬量、數字量輸入/輸出口用戶可根據需要設定對應參數。通常情況下交換的信號有： 從控制系統到變頻器的信號： 速度給定4.20 mA 變頻器開變頻器停緊急停機輔助設備準備好 從變頻器到控制系統的信號： 變頻器預備變頻器運行變頻器報警變頻器故障電機過速變頻器過載電機轉速：4.20 mA 電機電流：4.20 mA 到進線柜信號：開關合五、隔爆型變頻器應用中應注意的問題五、隔爆型變頻器應用中應注意的問題1、冷卻方式散熱是防爆變頻器遇到最大的難題。 在變頻器內部：逆變模塊約占整個變頻器所有散熱量的一半；整流模塊所發的熱量約占整個變頻器的45%；而剩下的5%則

8、是電解電容、充電電阻、均壓電阻以及印制板上的發熱元件等所發生的熱量。變頻器的熱功耗大約為其額定功率的23%，也就是說若電機的額定功率為400KW，其發熱量大約為812KW。那么在一個密閉的防爆腔里怎樣能把這些熱量及時、迅速的傳遞出去并散發掉，這是防爆變頻器能否長期正常運作的關鍵。目前常用的冷卻方式有：1）、強制風冷（非隔爆型或小功率）；2）、熱管交換；3）、熱管交換+強制風冷（隔爆型冷卻風扇）；4）、水冷。 采用熱管交換方式的變頻器散熱能力會受到熱管散熱能力的限制。水冷方式散熱效果最好，要求有水源，另外為防止水管結垢，對水質也有一定要求。水冷變頻器一般采用內循環、外循環兩個水路并用的模式，內循

9、環所采用的水為去離子水，在變頻器正常使用年限內，此水是無需更換的。 諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量的電設備的效率，大量的3 3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。 諧波影響各種電器設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外諧波影響各種電器設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜

10、等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。 諧波會引起公用電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，使諧波會引起公用電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，使危害加劇，甚至引起嚴重事故。危害加劇，甚至引起嚴重事故。 諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電器測量儀表計量不準諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電器測量儀表計量不準確。確。 諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；重者諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；重者導致信息丟失，使通信系統無法正常工作。導致信息丟失，使

11、通信系統無法正常工作。IEEE519-1992國際標準國際標準GB/T14549-93國家標準國家標準對電壓而言，就對電壓而言，就6KV和和10KV電網要求電壓總諧波不超過電網要求電壓總諧波不超過4%對電流而言，在基準短路容量為對電流而言，在基準短路容量為100MVA的條件下，對每次的條件下，對每次諧波電流的幅值提出了具體的要求，對諧波電流的幅值提出了具體的要求，對6KV電網：電網： 2次諧波電流小于次諧波電流小于43A 3次諧波電流小于次諧波電流小于34A 4次諧波電流小于次諧波電流小于21A 5次諧波電流小于次諧波電流小于34A 6次諧波電流小于次諧波電流小于14A將各次諧波換算成百分比，

12、也為將各次諧波換算成百分比，也為4%左右。左右。二極管六脈沖整流電路二極管六脈沖整流電路 電路簡單電路簡單, ,可靠可靠 直流母線電壓直流母線電壓VDC= 1.35VDC= 1.35* *V Vinin 通常用在通常用在PWMPWM電壓源型變頻器電壓源型變頻器中中六脈沖二極管整流電路輸入電流波形六脈沖二極管整流電路輸入電流波形12 脈沖二極管整流電路脈沖二極管整流電路3-PHASE MV INPUT輸入濾波器12 Pulse RectifierTo InverterTo Inverter12 脈沖二極管整流電路輸入電流脈沖二極管整流電路輸入電流減少輸入諧波的有效措施是將輸入變壓器進行多重化設計

13、形成多脈沖整流減少輸入諧波的有效措施是將輸入變壓器進行多重化設計形成多脈沖整流從理論上可以推導出下列結論：從理論上可以推導出下列結論：12脈沖整流：脈沖整流：11次以下諧波自動抵銷次以下諧波自動抵銷18脈沖整流：脈沖整流：17次以下諧波自動抵銷次以下諧波自動抵銷24脈沖整流：脈沖整流：23次以下諧波自動抵銷次以下諧波自動抵銷 30脈沖整流：脈沖整流：29次以下諧波自動抵銷次以下諧波自動抵銷36脈沖整流：脈沖整流：35次以下諧波自動抵銷次以下諧波自動抵銷而諧波的幅值與次數是成反比的而諧波的幅值與次數是成反比的六、中、高壓變頻器在主斜井運輸機上的應六、中、高壓變頻器在主斜井運輸機上的應用用 主斜井

14、運輸機的單機功率已達到主斜井運輸機的單機功率已達到2240KW，多采用中、高壓變頻器，非防，多采用中、高壓變頻器，非防爆通用變頻器。爆通用變頻器。 電流源方案電流源方案三電平方案三電平方案完美無諧波功率單元串聯多電平方案完美無諧波功率單元串聯多電平方案 123主電路結構比較簡單主電路結構比較簡單容易實現再生回饋制動容易實現再生回饋制動容量大容量大 三+-C1C2123456ABCM3 -0123主電路結構比較簡單主電路結構比較簡單容易實現再生回饋制動容易實現再生回饋制動容量大容量大4體積比較小體積比較小一旦出現某功率器件損壞，往往引發成組器件大范圍損壞，極難修復諧波含量高，對電網和其他設備干擾

15、大dv/dt 問題比較突出，對電機絕緣有損害輸入側的功率因數低方方案案的的缺缺點點 A1B1C1A2B2C2A3B3C3A4B4C4A5B5C5A6B6C6motor輸出波形較好，對電機絕緣損害小輸出波形較好，對電機絕緣損害小1 1輸入側的功率因數高輸入側的功率因數高2 2運行非常安全可靠運行非常安全可靠效率高效率高諧波含量極低，對電網和其他設備無干擾諧波含量極低，對電網和其他設備無干擾容量大容量大3 34 45 56 6主電路結構稍顯復雜體積稍大去變壓器去變壓器二次側二次側功率單元輸出功率單元輸出光纖通信連接至主連接板光纖通信連接至主連接板單元控制電路單元控制電路Q1Q3Q2Q4COIL旁路

16、接觸器旁路接觸器 新的功率單元旁路策略，自動旁路技術，旁路時間在新的功率單元旁路策略，自動旁路技術，旁路時間在250ms以內以內 從物理上完全旁路掉故障功率單元從物理上完全旁路掉故障功率單元允許每相有不同的功率單元數量允許每相有不同的功率單元數量三相線電壓平衡三相線電壓平衡(中心點漂移技術中心點漂移技術)，發揮功率單元最大輸出能力相，發揮功率單元最大輸出能力相比顯著提高輸出電壓能力比顯著提高輸出電壓能力美國專利號美國專利號 5,986,909. 已注冊國際專利技術已注冊國際專利技術完全自動旁路，適用異步電機和同步電機完全自動旁路，適用異步電機和同步電機AA5A4A3A2A1B1B2B3B4B5

17、C1C2C3C4C5100% 電壓輸出電壓輸出VACVBAVCBBC120TYP.No每相每相5個功率單元串個功率單元串聯，正常運行聯，正常運行95132.5132.5oooABCVACVBAVCBA3A2A1B1B2B3B4B5C1C2C3C4C5A4,A5旁路，調整相位角，輸出電壓對稱，可達 80%旁路旁路A4,A5新的旁路技術新的旁路技術(中心點偏移中心點偏移)功率因數負載百分比功率單元串聯高壓變頻器功率單元串聯高壓變頻器 電流源型變頻器電流源型變頻器 輸入電流波形與整流形式有關，該變頻器6KV整流電路脈沖數為36脈沖，35次以下諧波自動抵銷，輸入諧波遠遠小于規定的標準，在不用濾波器情況

18、下一般在2%左右，優于IEEE519-1992國際標準和GB/T14549-93國家標準。 GTO/SGCT電流源型逆變器輸出波形電流源型逆變器輸出波形CurrentVoltageNPC逆變器輸出波形逆變器輸出波形輸出電壓dv/dtCELL 1單元單元 1CELL 2單元單元2CELL 3單元單元3COMPOSITE合成合成dv/dt1400kW/6kV功率單元串聯變頻器功率單元串聯變頻器 滿載滿載 50Hz 實測波形實測波形A-B相線電壓波形A相電流波形同忻主斜井帶式輸送機主要參數運輸機型式： 頭部卸料，尾部受料，采用頭 部三驅動+中間三驅。 運輸能力: 4800th 膠帶寬度: 1.8m帶速: 5m/s運輸長度（斜長）: 4600m驅動功率: 3*1800+3*1800kW（連續功率）供電： 高壓10kV；頻率50Hz驅動裝置： 防爆電機+變頻器+進口減速機七、典型案例 同忻礦主斜井膠帶機變頻驅動控制網絡圖1#變頻器2#變頻器3#變頻器集中控制柜觸摸屏皮帶信號及保護系統4#變頻器5#變頻器6#變頻器中間驅動分站機尾分站自動張緊裝置盤形閘張力傳感器大巷皮帶Profibus-DPProfibus-DPModbusProfibus-DP溫度傳感器盤形閘MPI工業以太網備用變頻器低