CM3000高壓三電平產(chǎn)品在煤礦刮板輸送機上的應(yīng)用
瀏覽： 發(fā)布日期：2017-11-28
CM3000高壓三電平產(chǎn)品在煤礦刮板輸送機上的應(yīng)用
一、概述
煤礦工業(yè)作為產(chǎn)能大戶，隨著行業(yè)的系統(tǒng)化和規(guī)模化，近幾年已經(jīng)成為國家支柱產(chǎn)業(yè)之一。但由于設(shè)備陳舊，自動化程度低，我國煤礦開采僅在2005年即耗能5086.81×10△t標準煤耗電376.04×108kW?h，分別占全國總耗能量和總耗電量的3.86%和3.49%。所以，煤炭工業(yè)既是產(chǎn)能大戶，又是耗能大戶，同時也是節(jié)能潛力大戶。目前我國煤礦行業(yè)存在電機啟動困難、機械損傷嚴重以及自動化程度低等問題都迫切需要利用變頻技術(shù)進行節(jié)能降耗改造。據(jù)統(tǒng)計，按節(jié)電率30%計，采用變頻調(diào)速技術(shù)年節(jié)電潛力至少為10×108～15×108kW?h。所以，利用變頻技術(shù)對現(xiàn)有電機設(shè)備進行節(jié)能改造，是解決我國煤炭工業(yè)高消耗、低效益的主要措施。
2.1 刮板輸送機
利用固接在牽引鏈上的刮板在敞開的料槽中刮運散狀物料的輸送機。它由敞開料槽、牽引鏈、刮板、頭部驅(qū)動鏈輪和尾部張緊鏈輪等組成。
圖1：刮板機實物圖
2.2 刮板輸送機的分類
刮板輸送機適用于煤層傾角不超過25度的采煤工作面，但對于兼作采煤機軌道與機組配合工作的刮板輸送機，適用的煤層角度一般不超過10度。煤層傾角大時，要采用防滑措施。此外，在采煤工作面下順槽和聯(lián)絡(luò)眼都可以使用刮板輸送機運送煤炭。目前，采煤工作面多使用可彎曲刮板輸送機，以適應(yīng)自動化、綜合機械化采煤的需要，與相應(yīng)的采煤機、金屬支架或自移式液壓支架配套使用。
刮板輸送機的電動機功率從7.5kW～2000kW輸送能力從30t/h～6000t/h之間，常用的分類方式有以下幾種：
（1）按牽引的條數(shù)和布置方式，可分為單中鏈、邊雙聯(lián)和中雙鏈及三鏈型刮板輸送機。
（2）按溜槽的布置方式，可分為重疊式和并列式溜槽刮板輸送機。
（3）按溜槽的結(jié)構(gòu)，可分為開底式和封底式溜槽刮板輸送機。
（4）按卸載方式，可分為端卸式和側(cè)卸式刮板輸送機。
（5）按功率大小，可分為輕型（單電動機額定功率輕型(P≤40kW)、中型(40kW＜P ≤90kW)、重型(P＞90kW) 。
2.3 刮板輸送機的組成
刮板輸送機是一種有撓性牽引機構(gòu)的連續(xù)運輸機械。溜槽是煤炭的承載機構(gòu)，其牽引推運機構(gòu)是繞過機頭鏈輪和機尾鏈輪（或滾筒）而進行循環(huán)運動的無極閉合的刮板鏈。啟動電動機，經(jīng)液力聯(lián)軸器、減速器傳動鏈輪而驅(qū)動刮板鏈連續(xù)運轉(zhuǎn)，將裝在溜槽中的煤炭推運到機頭處卸載轉(zhuǎn)運。各種類型的刮板輸送機的組成部件的型式和布置方式不完全相同，但主要結(jié)構(gòu)和基本組成部件是相同的。刮板輸送機一般是由機頭部；機身部和機尾部三部分組成。
刮板輸送機的組成部件：
1）機頭部：由機頭架和安裝其上的鏈輪組件、聯(lián)軸器、減速箱和電動機組成。
2）機尾部：機尾架、鏈輪組件、聯(lián)軸器、減速箱、電動機。
3）機身部：中部槽、刮板鏈、鏟煤板、擋煤板。
3.1 項目信息
陜西某國營大型煤礦現(xiàn)場，刮板輸送機的功率為1250kW，全天24小時不間歇運行。每臺刮板輸送機用兩臺同等功率、同等電壓的電機驅(qū)動，這兩臺電機電壓均為3.3kV，單臺功率覆蓋范圍是160kW～1250kW；生產(chǎn)運行時要求同步啟動兩臺電機，啟動時間要求1～2分鐘。
現(xiàn)需要兩臺變頻器驅(qū)動兩臺電機帶動負載刮板輸送機。
3.2改造方案
圖2：改造一次圖
1）主回路：采用一拖一方案。此方案中，兩臺CM3000高壓三電平變頻分別驅(qū)動刮板機機頭部和機尾部的電機。
2）控制回路：遠程監(jiān)控方案，可以實時監(jiān)控兩臺CM3000高壓三電平變頻的運行情況；可以同時進行速度控制，啟停控制以及參數(shù)修改等。
3）主從控制：是由完全獨立的兩臺變頻器通過主、從機的同步CAN總線通訊方式保證雙電機的轉(zhuǎn)速一致，功率平衡。兩臺電機中任意一臺都可作為主機，另一臺為從機。變頻器對電機的轉(zhuǎn)矩都能獨立控制，主從變頻器通訊采用CAN總線通訊，抗干擾能力強，通訊速率高。變頻器采用主從控制方案，主機采用轉(zhuǎn)速控制，從機采用轉(zhuǎn)矩控制。主機通過CAN通訊實時采集從機電流信號、電壓信號、頻率信號，實時調(diào)整給從機的轉(zhuǎn)矩信號，使主機和從機的功率達到完美的平衡。
4）水冷方案：去離子水通過水-水熱交換方式與外部冷去水實現(xiàn)熱交換，外部冷卻水通過水泵驅(qū)動經(jīng)水-風(fēng)換熱器或冷卻塔實現(xiàn)熱交換，最終將CM3000高壓三電平變頻殼體內(nèi)部熱量傳遞到外部環(huán)境中。內(nèi)部去離子冷卻水設(shè)有溫度、壓力、離子濃度與去離子水量保護功能。外部冷卻水設(shè)有溫度、壓力與液位保護功能。
圖3：水冷系統(tǒng)外圍設(shè)備圖
3.3運行性能
（1）CAN通訊
主機的CAN2+、CAN2-對應(yīng)連接從機的CAN2+、CAN2-。下圖為CM3000高壓三電平變頻運行時CAN通訊的波形。
圖4：CAN通訊實時波形圖
（2）實際的電流波形
測試相關(guān)波形的條件是主機用電流鉗，從機用普通探頭測的主板的IU測試點。剛開始調(diào)試時波形，其中CH1黃色—主機電流，CH2綠色—從機磁鏈反饋，CH3紫色—從機辨識速度，CH4紅色—主機電流；
a）CM3000高壓三電平變頻啟動波形。
圖5：實時電流圖
b）CM3000高壓三電平變頻停機時的波形。
圖6：停機時波形圖
3．CM3000高壓三電平變頻帶載時運行波形。
4.1 磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)
圖8：磁鏈閉環(huán)
圖9：三電平拓撲圖
圖10：中點控制比較
圖11： 電流波形圖
刮板輸送機是一種重要的礦山運輸機械。由于它結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長，運轉(zhuǎn)可靠性高、節(jié)能高效、輸送距離長、密封性能好且維修方便，在冶金、建材、化工、火電、礦山等行業(yè)里廣泛使用。
二、刮板輸送機介紹
2.1 刮板輸送機
利用固接在牽引鏈上的刮板在敞開的料槽中刮運散狀物料的輸送機。它由敞開料槽、牽引鏈、刮板、頭部驅(qū)動鏈輪和尾部張緊鏈輪等組成。
圖1：刮板機實物圖
2.2 刮板輸送機的分類
刮板輸送機適用于煤層傾角不超過25度的采煤工作面，但對于兼作采煤機軌道與機組配合工作的刮板輸送機，適用的煤層角度一般不超過10度。煤層傾角大時，要采用防滑措施。此外，在采煤工作面下順槽和聯(lián)絡(luò)眼都可以使用刮板輸送機運送煤炭。目前，采煤工作面多使用可彎曲刮板輸送機，以適應(yīng)自動化、綜合機械化采煤的需要，與相應(yīng)的采煤機、金屬支架或自移式液壓支架配套使用。
刮板輸送機的電動機功率從7.5kW～2000kW輸送能力從30t/h～6000t/h之間，常用的分類方式有以下幾種：
（1）按牽引的條數(shù)和布置方式，可分為單中鏈、邊雙聯(lián)和中雙鏈及三鏈型刮板輸送機。
（2）按溜槽的布置方式，可分為重疊式和并列式溜槽刮板輸送機。
（3）按溜槽的結(jié)構(gòu)，可分為開底式和封底式溜槽刮板輸送機。
（4）按卸載方式，可分為端卸式和側(cè)卸式刮板輸送機。
（5）按功率大小，可分為輕型（單電動機額定功率輕型(P≤40kW)、中型(40kW＜P ≤90kW)、重型(P＞90kW) 。
2.3 刮板輸送機的組成
刮板輸送機是一種有撓性牽引機構(gòu)的連續(xù)運輸機械。溜槽是煤炭的承載機構(gòu)，其牽引推運機構(gòu)是繞過機頭鏈輪和機尾鏈輪（或滾筒）而進行循環(huán)運動的無極閉合的刮板鏈。啟動電動機，經(jīng)液力聯(lián)軸器、減速器傳動鏈輪而驅(qū)動刮板鏈連續(xù)運轉(zhuǎn)，將裝在溜槽中的煤炭推運到機頭處卸載轉(zhuǎn)運。各種類型的刮板輸送機的組成部件的型式和布置方式不完全相同，但主要結(jié)構(gòu)和基本組成部件是相同的。刮板輸送機一般是由機頭部；機身部和機尾部三部分組成。
刮板輸送機的組成部件：
1）機頭部：由機頭架和安裝其上的鏈輪組件、聯(lián)軸器、減速箱和電動機組成。
2）機尾部：機尾架、鏈輪組件、聯(lián)軸器、減速箱、電動機。
3）機身部：中部槽、刮板鏈、鏟煤板、擋煤板。
4）輔助裝置：主要包括緊鏈裝置、推移裝置、和錨固定裝置。
三、變頻改造
3.1 項目信息
陜西某國營大型煤礦現(xiàn)場，刮板輸送機的功率為1250kW，全天24小時不間歇運行。每臺刮板輸送機用兩臺同等功率、同等電壓的電機驅(qū)動，這兩臺電機電壓均為3.3kV，單臺功率覆蓋范圍是160kW～1250kW；生產(chǎn)運行時要求同步啟動兩臺電機，啟動時間要求1～2分鐘。
現(xiàn)需要兩臺變頻器驅(qū)動兩臺電機帶動負載刮板輸送機。
3.2改造方案
圖2：改造一次圖
1）主回路：采用一拖一方案。此方案中，兩臺CM3000高壓三電平變頻分別驅(qū)動刮板機機頭部和機尾部的電機。
2）控制回路：遠程監(jiān)控方案，可以實時監(jiān)控兩臺CM3000高壓三電平變頻的運行情況；可以同時進行速度控制，啟停控制以及參數(shù)修改等。
3）主從控制：是由完全獨立的兩臺變頻器通過主、從機的同步CAN總線通訊方式保證雙電機的轉(zhuǎn)速一致，功率平衡。兩臺電機中任意一臺都可作為主機，另一臺為從機。變頻器對電機的轉(zhuǎn)矩都能獨立控制，主從變頻器通訊采用CAN總線通訊，抗干擾能力強，通訊速率高。變頻器采用主從控制方案，主機采用轉(zhuǎn)速控制，從機采用轉(zhuǎn)矩控制。主機通過CAN通訊實時采集從機電流信號、電壓信號、頻率信號，實時調(diào)整給從機的轉(zhuǎn)矩信號，使主機和從機的功率達到完美的平衡。
4）水冷方案：去離子水通過水-水熱交換方式與外部冷去水實現(xiàn)熱交換，外部冷卻水通過水泵驅(qū)動經(jīng)水-風(fēng)換熱器或冷卻塔實現(xiàn)熱交換，最終將CM3000高壓三電平變頻殼體內(nèi)部熱量傳遞到外部環(huán)境中。內(nèi)部去離子冷卻水設(shè)有溫度、壓力、離子濃度與去離子水量保護功能。外部冷卻水設(shè)有溫度、壓力與液位保護功能。
圖3：水冷系統(tǒng)外圍設(shè)備圖
3.3運行性能
（1）CAN通訊
主機的CAN2+、CAN2-對應(yīng)連接從機的CAN2+、CAN2-。下圖為CM3000高壓三電平變頻運行時CAN通訊的波形。
圖4：CAN通訊實時波形圖
（2）實際的電流波形
測試相關(guān)波形的條件是主機用電流鉗，從機用普通探頭測的主板的IU測試點。剛開始調(diào)試時波形，其中CH1黃色—主機電流，CH2綠色—從機磁鏈反饋，CH3紫色—從機辨識速度，CH4紅色—主機電流；
a）CM3000高壓三電平變頻啟動波形。
圖5：實時電流圖
b）CM3000高壓三電平變頻停機時的波形。
圖6：停機時波形圖
3．CM3000高壓三電平變頻帶載時運行波形。
圖7：運行波形圖
四、CM3000高壓三電平變頻的優(yōu)勢
4.1 磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)
圖8：磁鏈閉環(huán)
- 原理及特點：基于電機d - q軸系數(shù)學(xué)方程，對電機的磁鏈、電流進行解耦控制，具有磁鏈、電壓閉環(huán)特點。
- 優(yōu)勢：控制精度高，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，低頻特性好。
- 效果：刮板機低速運行平穩(wěn)，抱閘磨損小，沖擊小。
圖9：三電平拓撲圖
- 原理：利用二極管中性點箝位的拓撲結(jié)構(gòu)，使得每相輸出具有三個電平。
- 優(yōu)勢：輸出波形效果好，功率密度高，體積小。
- 效果：產(chǎn)品緊湊，諧波小，對外圍設(shè)備無干擾。
圖10：中點控制比較
- 原理：通過檢測直流母線及中點的電壓進行實時調(diào)整，保證中點電位平衡。
- 優(yōu)勢：控制精度好，響應(yīng)速度快。
- 效果：將中點電位波動控制在一定范圍內(nèi)。
圖11： 電流波形圖
- 技術(shù)特點：采用主從+下垂電機同步控制技術(shù)，確保多臺電機負荷均衡分配。 NICE3000電梯一體化控制系統(tǒng)