IES高压变频器在DG300型长距离带式输送机上的应用

简要介绍了山西煤销集团阳泉公司常顺至上社煤炭运输系统项目的情况，重点介绍了国际电子系统公司生产的IES-K系列皮带机专用高压变频器的原理、技术特点及在长距离带式输送机应用的技术方案。采用变频后，多电机驱动的带式输送机实现了自动调速、功率平衡和转速同步功能，设备运行稳定、故障率低、自动化程度高、大大降低设备能耗和提高生产率。

1、引言
文章根据DG300长距离圆管带式输送机工艺过程的驱动和控制要求，采用国际电子系统公司生产的IES-K系列皮带机专用高压变频驱动系统进行驱动控制。高压变频器按重载选配，可实现200%以上的启动转矩；并开发出多电机驱动的皮带机专用驱动控制系统，不仅实现了头尾电机启停及加减速过程中的平滑控制和多电机负载平衡控制，同时实现生产过程监控管理一体化，使DG300型长距离圆管带式输送机在生产上具有先进的过程控制自动化，更在管理上具有现代化水平，而且对提高生产效率、稳定运行、降低能耗等具有重要意义。

2、项目简介
山西煤销集团阳泉公司常顺至上社煤炭运输系统由太原正越工程设计有限公司设计，由太原向明机械制造有限公司制造并负责配套集成，主要服务于山西阳泉上社煤炭有限责任公司选煤厂。该运输系统主要由DG300圆管带式输送机和头尾配套带式输送机组成。DG300圆管带式输送机全长为4.927公里，起点为常顺煤矿筒仓侧，机尾有1个受料点，采用给料机转皮带机均匀给料；终点位于山西煤炭运销集团上社煤炭有限责任公司外来煤储煤场。DG300圆管带式输送机线路大部分在山区之内，经过林场、农田、翻山越岭，线路较复杂。输送能力按350t/h设计，管带机管径为Φ300mm，带速为3.15m/s；工作制为每年工作330天，每天工作16h。DG300圆管带式输送机由4台10kV/400kW高压变频电机驱动，采用机头2驱动+机尾2驱动布置形式，驱动系统配套采用国际电子系统公司生产的IES-K系列皮带机专用高压变频器和皮带机专用驱动控制系统，实现对输送机的自动控制和节能运行。

3 带式输送机高压变频驱动系统方案设计
3.1 设计条件
    1）供电电源数据
    主回路额定电压：10kV±10%，额定频率：50Hz±5%
    控制电源：380V AC 2kVA
    2）圆管带式输送机设备参数
    管径φ＝300， 运量Q＝350t/h, 带速v=3.15m/s；
    提升高度H=-76m，输送距离L＝4927m；
    电源电压：U＝10KV , 电机额定电压：10kV；
    电机功率： 4×400kW, 电机额定电流：28.6A；
     驱动方案：四个驱动滚筒，头尾各二个，每个滚筒由单电机驱动；

3.2 系统设计
圆管带式输送机的前后部共四台电机分别由一台IES-K皮带机专用高压变频器驱动，四台变频器之间通过以太网分别与机头和机尾的皮带机专用集控箱连接，机头和机尾的皮带机专用集控箱通过四芯单模光纤连接，实现主从控制，达到机头与机尾电机同步调速、功率平衡的目的，同时在皮带机专用集控箱上预留以太网通讯接口同带式输送机主控系统连接，将变频器的速度、电流、转矩等信号传输给主控系统，实现整个带式输送机系统的联锁保护和逻辑控制。作为备用在机头、机尾分别备用一台高压变频器，备用机也分别连在机头和机尾的变频器集控箱上，当机头、机尾变频发生故障时，由人工将电机电缆联接至备用变频器，主机、从机和备用机的选择在变频器集控箱的触摸屏上实现选择，变频驱动系统结构示意图和通讯网络图如图一、图二所示。

图一变频器驱动系统结构图

图二变频器驱动系统通讯网络图

3.3 控制回路和用户接口设计
变频驱动系统的控制回路主要负责四台电机的启停逻辑控制、Harrison曲线加减速控制、启停及运行过程中的功率平衡和转速同步控制、带式输送机的故障联锁保护等，变频器和集控箱的接口图如图三和图四所示。

图三高压变频器接口图

图四集控箱接口图

3.4 冷却系统设计
综合考虑现场的实际情况，因本项目高压变频器的功率不大，现场配电室环境较好，温湿度适宜，无粉尘和腐蚀气体，从散热效果和经济使用的角度出发，该项目采用强迫风冷的冷却方式，在配电室的左侧开1m*2m的入风口加装滤网，变频器顶部安装风罩，并用冷却风道引出室外，设计风道出风口的排风量≥5m3/s,完全满足现场的散热需求。

图五通风系统示意图

图六冷风风道安装图

3.5 IES-K皮带机专用高压变频驱动系统原理及技术特点
IES-K系列皮带机专用高压变频驱动系统是国际电子系统公司在与国际著名电气公司多年合作经验的基础上，有效吸收国际领先技术、结合中国国情，开发设计生产出的高可靠性变频调速节能系列产品。该产品采用目前国内最先进的磁通优化的空间矢量PWM控制技术，采用成熟可靠的多单元串联结构形式，硬件可靠性高，性能优异，使用中文操作，具有高过载能力、超强电网适应能力、大力距启动和功率平衡等特点，非常适合长距离带式输送机的应用。

3.5.1 IES-K皮带机专用高压变频器原理
IES-K系列皮带机专用高压变频器采用多单元串联结构，主回路主要由多绕组供电变压器和数个逆变单元构成。多绕组供电变压器为每个逆变单元单独供电，并实现单元之间的供电电源隔离和与电网之间的隔离。逆变单元是核心功率部件，其开关器件为高性能IGBT。10KV高压变频器的主回路结构和功率单元结构如下图所示

图七10KV高压变频器主回路原理图

图八功率单元原理图

3.5.2 IES-K皮带机专用高压变频驱动系统技术特点
    1）先进的控制技术
控制软件由来自国外的著名变频器专家带头，结合当今世界最先进的控制理论自主开发而成，采用改进完善的最新一代磁通优化的空间矢量PWM控制技术，动态转速控制精度小于额定转速的±2%，转矩阶跃响应时间＜10ms，输出频率分辨率＜0.01 Hz。

2）高可靠、长寿命
设计寿命 20 年，设计平均无故障工作时间MTBF> 10 万小时，功率单元故障平均修复时间MTTR<10分钟。柜顶均安装有知名品牌长寿命冷却风机，通风散热系统安全可靠。

三路控制电源供电：标准配置双回路控制电源供电（1路内部220VAC和1路外部220VAC），选配UPS、以获得更稳定的冗余电源。

光纤通讯：变频器内部采用光纤通讯，完全光电隔离，抗干扰能力强。

3）完美无谐波
10KV高压变频器48脉冲输入，电网侧谐波小，无需输入滤波器，输入侧谐波含量均满足IEEE 519-1992和 GB/T14549-2002的要求。采用多重化正弦波PWM输出，dv/dt小，输出电压、输出电流波形接近完美正弦波，电机转矩脉动小，系统运行平稳，运行噪声低。

4）功率单元旁路运行
全系列产品标配功率单元硬件旁路运行功能，当某个功率单元故障时，功率单元自动旁路技术可以将故障的功率单元自动切除，三相输出电压自动平衡，变频器继续运行。提供最多3级旁路功能，即每相最多允许3个功率单元，3相最多允许任何位置的9个功率功率单元旁路运行，可靠性极高，整机利用率为99.99%。

5）浪涌吸收保护功能
标配浪涌吸收保护功能，全面吸收尖峰电流，确保设备一次性上电成功，IES-K的浪涌吸收保护功能包单元防浪涌和系统防浪涌两部分。

6）重载配置、启动力矩大
针对圆管带式输送机启动力矩大和负载波动运行等特点，IES-K系列皮带机专用高压变频器采用重过载的元器件配置，过载能力≥2倍电机额定电流1分钟，尤其在低速带载运行时，可输出200%以上的额定转矩，可实现长距离圆管带式输送机低速验带功能，满足调试、维护等工作需求。

7）Harrison曲线控制
IES-K系列皮带机高压变频驱动系统主动对电机转矩控制，启动、停车、加速和减速采用Harrison曲线控制，使带式输送机加减速过程平稳，控制皮带机主从分时启动和停车，避免皮带在启动过程中产生张力波，最大幅度保护电气与机械设备安全，减小设备伤害，降低维护成本。

图九：Harrison曲线

图十：四台电机启动曲线

8）多传动负载平衡
采用国际电子系统公司自主研发的主从同步系统控制技术，内部采用高速以太网通讯、将多传动变频组成一个控制系统，由皮带机专用集控箱自动调节各传动工作状态，最终实现各传动系统转矩、功率、电流平衡，速度同步，正产运行时保持皮带正常运行，避免皮带等设备因驱动不平衡引发设备事故。

4 系统运行效果
该项目是全国产技术第一次在长距离圆管带式输送机上的实践应用，项目于2013年7月份正式投入运行，自投运以来，各项运行指标达到设计要求，连续长期运行、无设备故障停机情况，满足生产的实际需要。项目采用国际电子系统公司自主研发的IES-K皮带机专用高压变频驱动系统功能先进、可靠性高、运行稳定，有效的保障了系统的长期稳定运行，采用变频驱动系统后主要有以下几点优点。

1，实现了软启动、软停车，减少机械冲击，使运行更加平稳可靠，极大地延长了设备的使用寿命；
2，输入完美无谐波，输出完美正弦波，对电网无污染，对周边设备无干扰；
3，保护功能齐全，报警机制完善，基本免维护，大大降低劳动强度；
4，采用速度和功率双闭环控制方式，实现头尾四台电机之前的速度同步和功率平衡功能；在加减速过程中，四台电机的转速基本一致，功率不平衡度<4%，长期稳定运行中功率不平衡度<2%，完美满足多电机驱动的长距离圆管带式输送机的运行需求；
5，Harrison曲线控制，加减速过程平滑，长期连续稳定运行，大大提高了产量。
6，节约电能，系统具备自动节能运行功能，根据负载自动调节输送机的转速，节能效果明显。
7，提高自动化水平，IES-K系列皮带机专用高压变频驱动系统配置丰富的标准工业通讯接口，可以很方便的与带式输送机主控系统、DCS系统、能源管理系统及其它系统通讯，极大提高了机组的自动化水平。
5 结束语
该项目是国产高压变频器首次在长距离、多电机驱动的圆管带式输送机上的成功应用。采用国际电子系统公司生产的IES-K系列皮带机专用高压变频驱动系统后，实现了带式输送机的软启、软停运行方式，实现了多电机的转速同步和功率平衡，大大提高了系统的功率因数和系统效率；实现了带式输送机的高转矩、高精度、款调速范围驱动；采用变频后低速输出力矩大、过载能力强、保护功能齐全、可靠性高、故障率低，使用维护方便，节能降耗。实践证明IES-K系列皮带机专用高压变频驱动系统，其技术已经达到国际先进水平，在皮带机应用领域中能够创造巨大的经济效益和良好的社会效益，对于创建节能环保型社会发挥着重要作用。