0 引言
某水泥廠石灰石輸送皮帶機一期兩條5000 t/d熟料生產線，其礦山分廠石灰石輸送設置了3條石灰石運輸長皮帶機。全線長5.046 km，總提升高度為-446 m，由3套膠帶機組成，相關技術參數見表1，系統全貌見圖1。本文對高壓變頻器在長距離大落差礦山皮帶輸送機驅動控制中的應用經驗進行總結，主要以表1中的1號和2號膠帶機的驅動控制系統方式以及高壓變頻器的選擇為討論對象，僅供參考。
1 皮帶機啟動、停止及控制方式的選擇
皮帶機運輸能力大，工作阻力小，耗電量低，運距長，且維護簡單方便，在物料輸送中得到廣泛應用。皮帶機有水平運輸、向上運輸、向下運輸三大類，向下運輸存在“滾料”和“飛車”現象，安全隱患大。由于膠帶輸送機具有彈性，在啟動加速、停車減速及張力變化過程中呈現出橫向振動、縱向振動以及動態張力波的傳播和疊加，造成輸送系統的不穩定，經常出現膠帶斷裂、機械損壞、局部諧振跳帶、疊帶、撒料等。分析認為：驅動設備是膠帶輸送機的關鍵設備，直接影響到輸送機的整機性能。早先水泥廠礦山石灰石和碼頭熟料輸送膠帶機設備選型一般使用調速型液力偶合器或CST等機械和液壓方式的驅動設備，效率低、維護復雜，且非線性、啟動電流大、調速性能差。大的啟動加速度，容易導致膠帶持續波動，張力特性較差，無法對長距離輸送的皮帶實現動態優化和為安全啟動提供有效的保證。
變頻調速驅動控制系統可應用于輸送機類恒轉矩負載的調速驅動控制。在輕載及重載工況下,均能有效控制膠帶輸送機彈性負載的軟啟動/軟停車的動態過程，實現各驅動之間的功率平衡，并提供可調驗帶速度。由此降低直接啟動/快速停車過程對機械和電氣系統的沖擊，避免撒料與疊帶，有效抑制膠帶輸送機動態張力波造成的危害，延長膠帶機使用壽命，既節省設備投資，又保證安全運行。
特別是下運式皮帶輸送機，屬于恒轉矩負載，當變頻器在啟動和加速運行時，電機輸出轉矩作用于皮帶驅動設備上，電機處于電動狀態，當皮帶帶上物料后，物料重量沿皮帶傳輸方向上的分力作用于皮帶驅動裝置上，并使驅動力矩逐漸增大，當此力矩大于電機的驅動力矩時，此時皮帶驅動裝置拖動電機轉動，電機處于再生發電狀態，因此需要通過制動電阻消耗再生電能，或者通過反饋裝置將電能反送給電網，以防止母線電壓過沖和變頻器過壓。由于技術的限制，下運式皮帶輸送機只能配置制動裝置，其功能的完善、性能的好壞，直接影響著下運帶式輸送機可靠與運行安全。對于大傾角下運帶式輸送機的制動，為保證皮帶機正常開機、停車和緊急停車，避免發生事故，一般不直接采用機械抱閘制動，而是采用可控制動裝置。目前已應用的可控制動裝置主要有盤式制動器、液力制動器、液壓制動器和粘液可控制動器。在四象限運行變頻器應用之前，即使采用變頻器驅動，下運皮帶機電機處于再生發電狀態時，通常系統通過設置制動電阻來消耗其電能，讓電能白白地浪費在制動電阻上。這些制動方式需要配備泵、電阻等耗能設備，靠耗能來實現制動。四象限運行的變頻器，電機可以實現從電動到發電兩種狀態的自由切換，并將下運式皮帶機勢能通過電機和變頻器轉換成電能回饋到電網。
根據皮帶的基本參數，1號、2號、3號皮帶長、落差大、電機功率大，啟動、停止、運行及緊急故障停機控制復雜，難度較大，從驅動設備啟動控制性能、可靠性、投資、運行成本、電力輸電和配送及能量消耗等方面分析比較，具體見表2。
2 1號、2號膠帶機對變頻裝置性能的要求
(1)膠帶機屬于下運膠帶機，帶載運行時電機始終處于發電狀態，所以變頻器應始終處于回饋狀態。
(2)由于下運膠帶機的特殊性，所以要求變頻器始終處于帶電工作狀態，任何情況下都不允許其斷電(變頻器故障損壞已無輸出電壓、電流時除外)。
(3)1號、2號膠帶機選用6kV高壓變頻器，所以變頻器應具備高壓供配電規范要求。
(4)變頻器具備主從控制多驅功能，通過光纖、編碼器等反饋控制系統實現主從同步驅動。
(5)高壓電動機技術參數：
額定功率： 1×1 250 kW(1號膠帶機、2號膠帶機);
額定電壓： 6 kV;
額定電流： 140.7 A;
頻率： 50 Hz 。
(6)變頻器技術參數選擇：
額定輸出電壓：0～6 kV;
輸出頻率：0～50 Hz;
額定輸出功率：1 250 kW，恒轉矩皮帶機專用;
額定輸出電流：160 A ;
持續過載能力：110%;
短時過載能力：在變頻器額定電流160 A的基礎上具備150%變頻器額定輸出電流1 min、每隔10 min可重復一次的過載能力;
輸入整流橋：6.5 kV SCR可控硅;
逆變模塊：6.5 kV SGCT;
調速范圍：0～75 Hz(根據電機情況可設定);
調速精確度：<0.01%(6 Hz以上);
整流器件：6.5 kV SCR可控硅;
功率單元個數：18個整流SCR可控硅+18個逆變SGCT;
操作象限：標準四象限;
連續運行可承受的欠壓百分比：在±10%額定電壓波動范圍內能滿載輸出，在70%～90%額定電壓范圍內降額繼續運行;
不平衡度最大值：30%;
功率因數：0.96(額定負荷下);
額定負載下的總效率(包括變壓器在內)：≥96.5%(變頻器本體效率≥98%);
瞬間失電延時：在廠用電切換或短時失電主電源恢復后，變頻器在0.1～1 200 s(可設定)內達到一定轉速(可設定)，而不需要手動復位或調整;
冷卻方式：強制風冷;
防護等級：IP21。
(7)移相整流變壓器技術參數要求：
型號：ZTS-1800 kVA/10/3×2.1 kV ;
額定容量：1 800 kVA;
原邊電壓：10 kV;
電壓分接：±5%;
副邊電壓：3×2.1 kV;
聯接組別：D，d0，d-20，d+20;
阻抗電壓：7%。
3 調試和試運行
3.1 調試和試運行的技術要求與注意事項
通過PLC的輸出模塊對變頻器發出啟動信號，變頻器在零轉速負扭矩達到最大后對PLC輸出此狀態信號，PLC發出開閘指令。盤閘打開后，對變頻器發出已開閘信號，通過變頻器輸出使膠帶機速度應可控從0～3.8 m/s (從0～50 Hz)開始平穩啟動;通過變頻器使膠帶機的啟動加速度控制在a=0.025～0.1 m/s2之間，啟動時間大約在40～160 s(從0 ～50 Hz)。
正常停車時，通過PLC的輸出模塊對變頻器發出正常停車信號，通過變頻器使膠帶機的減速度控制在a=0.025～0.05 m/s2之間，停車時間為76～160 s(從50～0 Hz);通過變頻器輸出使膠帶機轉速
可控從3.8～0 m/s(50～0 Hz)平穩停車。滿載時當帶速降到0.4 m/s(5 Hz)時變頻器對PLC輸出此
狀態信號，PLC發出盤閘關閉指令，盤閘制動時間S(5～10 s)具體根據現場盤閘制動時間確定;調整變頻器停車時間=S，空載時當帶速達到0 m/s(0 Hz)時變頻器以對PLC輸出此狀態信號，PLC發出盤閘關閉指令。
驗帶速度：0.4 m/s(5 HZ);
急速停車時，通過PLC的輸出模塊對變頻器發出急速停車信號。通過變頻器輸出使膠帶機減速度
控制在a=0.1～0.15 m/s2左右，制動時間為27～40 s(從50～0 Hz)左右，當帶速降到0.8 m/s(10 Hz)時變頻器對PLC輸出此狀態信號，PLC發出盤閘關閉指令。盤閘制動時間S(5～10 s)具體根據現場盤閘制動時間確定，調整變頻器停車時間=S(從10～0 Hz)。
當跑偏開關動作時變頻器要正常停車;當拉繩、打滑、防撕裂動作時，變頻器要急速停車。
變頻器故障時立即對PLC輸出此狀態信號，PLC立刻發出盤閘關閉指令。值得注意的是雙驅動裝置，變頻器應考慮到兩臺驅動轉速同步、轉矩平衡及兩臺變頻器之間的連鎖和互鎖等相關問題。
3.2 變頻器系統應配置的具體信號
(1)PLC系統配置如下模塊，與變頻器進行點對點接口，需要變頻器進行相應配置：DI模塊，變頻器輸出開關量點通過繼電器輸入到PLC;DO模塊，PLC通過繼電器輸出開關量點到變頻器;AI模塊，變頻器可輸出4路4～20 mA信號到PLC;AO模塊，變頻器可接收4路PLC發出的4～20 mA信號。
(2)速度設置分為三檔，以滿足不同工況下的運轉：驗帶速度，0.4 m/s，即5 Hz;中間速度，2.4 m/s，即30 Hz;滿速運行，3.8 m/s，即50 Hz。
(3)時間設置分為三種：正常啟動時加速時間為40～106 s;正常停止時減速時間為70～160 s;急速停車時減速時間為27～40 s。
(4)變頻器輸出開關量信號點：a.備妥;b.運行;c.故障;d.達速; e.零轉速負轉矩達最大信號;f.滿載停車時帶速降到0.4 m/s(5 Hz)信號;g.急速停車時帶速降到0.8 m/s(10 Hz)信號; h. 空載停車時帶速降到0 m/s(0 Hz)信號 。
(5)變頻器輸入的開關量信號點： a.啟動;b.停止;c.故障復位;d.急速停車;e.閘已打開;f.驗帶運行; g.中速運行;h.滿速運行;i.加速時間1 ;j.加速時間2; k.加速時間3 ;l.減速時間1;m.減速時間2;n.減速時間3。其中i、j、k、l、m、n項通過變頻器參數自行設定。
3.3 試運行分析
1號長皮帶設計驅動為1 250 kW電機，高差111 m，由于皮帶機較短，皮帶下行角度大，設計時未考慮帶編碼器，通過變頻器參數設置，采用開環標量控制。調試和試生產期間，變頻器對長皮帶啟動控制不穩，容易造成皮帶蠕動、疊帶等現象。帶載啟動時，變頻器內部的逆變功率器件損壞多次，每次損壞6塊SGCT功率器件。
2號長皮帶布置為U字形，設計驅動電機安裝編碼器，調試帶載啟動時皮帶有稍微蠕動，帶載停機時偶然有疊帶現象。通過適當調整控制程序和變頻器參數，對凹弧段加密支架，帶載啟動、帶載停機比較平穩，變頻器一直未發生故障。經過對比分析，認為其最主要原因是電機未安裝編碼器，變頻器在低速時默認電動狀態;而實際上帶料啟動時，只要盤閘一松開，皮帶機就自動下行，實際此時變頻器應該拖住皮帶，而不應該是電動狀態。電機未安裝編碼器時，皮帶上的料一定先清空然后再啟動變頻器。采用閉環矢量控制比采用開環標量控制能更好地滿足低頻率長皮帶啟動要求。通過對電機安裝編碼器后，采用閉環矢量控制電機運轉，變頻器自動區分電動和發電狀態，帶載啟動過程平穩，未出現皮帶蠕動或疊帶等現象。自此變頻器再也沒有發生功率器件損壞記錄。
變頻器母線過電壓，兩條皮帶變頻器運行中出現變頻器整流母線過電壓報警，連續多次過壓后造成變頻器停止運行，皮帶機跳停。針對該問題，調試專家通過示波器檢測認為，整流移相變壓器二次側移相角有偏差，通過調整低壓繞阻接線，保證低壓各繞阻20°移相角。通過檢測整流變一、二次交流電壓波形，滿足變頻器整流變移相角波形要求。經現場多次試機，到目前為止未出現整流器過電壓故障。
4 經濟效益分析
該水泥廠礦山石灰石1號、2號輸送皮帶機使用了PowerFlex7000四象限運行的變頻器，在皮帶機運行時使得變頻器長時間處于能量回饋狀態，將石灰石的勢能通過電機和變頻器轉換的電能直接回饋到母線電網上，使得電流從電機側經變頻器送至電網。只有在皮帶機運行初期階段(即石灰石的勢能未能驅動皮帶)時，變頻器才從電網上吸取電能;在皮帶機正常運行和停止過程中，電機都處于再生發電狀態(第四象限)。
使用PowerFlex7000四象限運行的高壓變頻器的1號、2號膠帶機，電機可以自由從電動到發電兩種狀態的自由切換，并將石灰石的勢能通過電機和變頻器來轉換成電能回饋到電網。1號、2號膠帶機自2010年12月投入使用，截至2013年8月底，礦山1號皮帶累計總回饋電網電量500 390.0 kWh，礦山2號皮帶累計總回饋電網電量為910,557.4 kWh。