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)速技術年節(jié)電潛力至少為10×108～15×108kW·h。所以，利用變頻技術對現(xiàn)有電機設備進行節(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。

    刮板輸送機是一種重要的礦山運輸機械。由于它結構簡單、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，以適應自動化、綜合機械化采煤的需要，與相應的采煤機、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）按溜槽的結構，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的連續(xù)運輸機械。溜槽是煤炭的承載機構，其牽引推運機構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，但主要結構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。外部冷卻水設有溫度、壓力與液位保護功能。

                        圖3：水冷系統(tǒng)外圍設備圖

    3.3運行性能

    （1）CAN通訊

     主機的CAN2+、CAN2-對應連接從機的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

                                 圖8：磁鏈閉環(huán)

    ◆原理及特點：基于電機d - q軸系數(shù)學方程，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。

    4.2 三電平技術

                                 圖9：三電平拓撲圖

    ◆原理：利用二極管中性點箝位的拓撲結構，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，對外圍設備無干擾。

    4.3 先進的中點電位平衡控制技術

                                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，響應速度快。

    ◆效果：將中點電位波動控制在一定范圍內(nèi)。

    4.4 多電機同步技術

                                圖11： 電流波形圖

    ◆技術特點：采用主從+下垂電機同步控制技術，確保多臺電機負荷均衡分配。

    ◆優(yōu)勢：負荷均衡分配。

    ◆效果：對于多臺電機驅(qū)動系統(tǒng)，可防止因電機負荷分配不均而造成電機損壞。

    4.5 先進的控制硬件平臺

    ◆技術特點：匯川技術CM3000高壓三電平變頻以高速浮點DSP為控制核心，采用高速

DSP+RAM+FPGA作為核心處理器，其諧波指標遠小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器。

    ◆優(yōu)勢：(1)運算速度更快，控制更精準。(2)飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉(zhuǎn)的情況下直接啟動。(3)具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。CM3000高壓三電平變頻在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生。(4) 來電自啟動及低電壓穿越功能，當現(xiàn)場電壓瞬間跌落或波動時、系統(tǒng)可保證瞬間失電不跳閘，且在失電后5個周期內(nèi)變頻器運行不受影響，超過5個周期變頻器自動降額運行。該特點保證設備在電網(wǎng)波動的情況下，最大限度實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，從而提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

    ◆效果：不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以拖動普通的異步電機。

    4.6長壽命設計

    ◆采用薄膜電容設計的產(chǎn)品：薄膜電容的壽命是電解電容壽命的10倍；采用MTBF設計理念，整機壽命長；高容量及高電壓等級確保最少的使用數(shù)量，故障率低，體積小 。

    ◆其他廠家現(xiàn)狀：電解電容。

    ◆優(yōu)勢：壽命長，可靠性好，易維護。

    4.7易于維護

    ◆采用模塊化設計理念：產(chǎn)品的驅(qū)動部分采用相同的橋臂模塊設計，便于備件更換；系統(tǒng)拆裝簡單，現(xiàn)場可維護。

    ◆其他廠家現(xiàn)狀：產(chǎn)品整體設計。

    ◆優(yōu)勢：現(xiàn)場容易維護。

    4.8 水冷設計

    ◆系統(tǒng)采用水冷設計方案：開放式水冷結構； 可以采用普通水內(nèi)循環(huán)或者普通水外循環(huán)兩種方案，多種防止結露設計。

    ◆其他廠家現(xiàn)狀：熱管方案。

    ◆優(yōu)勢：熱設計余量大，可靠性高。

    五、結束語

    CM3000高壓三電平變頻系列產(chǎn)品為蘇州匯川技術有限公司自主研發(fā)的成熟產(chǎn)品，此次陜西某煤礦現(xiàn)場的良好運行，也有力證明了我公司的磁鏈閉環(huán)控制技術、中性點鉗位三電平技術較同類廠家的控制方式更先進。投運一年多以來，高效率零故障，兩電機轉(zhuǎn)矩均分等良好的性能，已經(jīng)贏得了用戶的口碑。

    蘇州匯川技術有限公司專注于工業(yè)自動化控制產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，定位服務于中高端設備制造商，以擁有自主知識產(chǎn)權的工業(yè)自動化控制技術為基礎，以快速為客戶提供個性化的解決方案為主要經(jīng)營模式，實現(xiàn)企業(yè)價值與客戶價值共同成長。匯川在全國擁有66個辦事處，236家授權代理商，90家全國聯(lián)保中心。