变频器模拟电压控制方法（高压变频器在长距离管状带式输送机中同步与功率分配的应用研究）

变频器模拟电压控制方法（高压变频器在长距离管状带式输送机中同步与功率分配的应用研究）图 2 驱动布置形式 从火车卸灰沟到填料场距离大约4.5 km 左右，水平提升高度156 m，管带机是此条输送线路中的一条生命线，其可靠稳定的运行是项目的关键所在。项目采用头尾多驱动的方式，并采用高压变频驱动，其各驱动电机间相互的速度同步及功率合理分配至关重要，否则驱动滚筒与胶带间就会因为速度差而造成胶带的磨损，从而影响胶带的使用寿命。头部3 台驱动主要用于克服物料提升及上带面的阻力，尾部驱动主要用于克服回程段阻力，本项目中回程段阻力较小，因此要求头尾驱动的功率配比不能按照1：1 来执行。为了保证管带机的平稳可靠运行，项目要求头尾驱动功率分配需可调，头部3 台驱动出力保持一至，尾部驱动出力应低于头部单台驱动的出力，以保证4 台驱动的功率分配更合理。驱动布置形式如图2 所示。图 1 项目工程现场

王云龙 谷显书 邱 桃
大唐环境产业集团股份有限公司 成都 610000

摘 要：目前长距离管状带式输送机大多采用“头、尾”多机驱动布置型式，驱动装置启停和紧急制动的动态响应是一个非常复杂的过程，具有负荷重、惯性大，启停和制动不平稳等特点。为了保障管带机的平稳、可靠启/停及安全运行，须解决好各驱动启停和运行时的同步及负载均衡问题，否则易造成单个驱动发生过载跳闸及不同步时胶带的打滑磨损，甚至造成驱动电机和其它机械设备的损坏事故等。为解决这些问题，本文主要介绍了一种基于高压变频多机驱动的同步控制与功率分配原理，并结合实际长距离管状带式输送机项目的驱动特性进行应用研究。
关键词：管带机；功率分配；主- 从控制变频器
中图分类号：U653.928. 5 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）04-0094-03

0 引言
随着环保要求的提高及现代工业生产规模的不断扩大，管状带式输送机（以下简称管带机）逐步取代汽车火车运输向长距离、高带速、大运量、大功率方向发展，其多机驱动的功率平衡及同步控制适宜性直接关系到管状带式输送机的安全稳定运行。目前市场上解决长距离管带机驱动控制主要方案有：调速型液力耦合器驱动、变频驱动、CST 机械及液力驱动等几种形式，本文主要介绍基于高压变频多机驱动的同步控制与功率平衡分配在长距离管带机上的研究与应用。

1 应用项目概况
项目为某厂外输灰管带机工程，目前该厂每年产生的灰渣约有600 多万t 需要运往填料场进行堆放，其现场如图1 所示。通过火车把厂内加湿粉煤灰运到卸灰沟，然后经叶轮给料机为管带机上料，最后送往填料场。

从火车卸灰沟到填料场距离大约4.5 km 左右，水平提升高度156 m，管带机是此条输送线路中的一条生命线，其可靠稳定的运行是项目的关键所在。

项目采用头尾多驱动的方式，并采用高压变频驱动，其各驱动电机间相互的速度同步及功率合理分配至关重要，否则驱动滚筒与胶带间就会因为速度差而造成胶带的磨损，从而影响胶带的使用寿命。头部3 台驱动主要用于克服物料提升及上带面的阻力，尾部驱动主要用于克服回程段阻力，本项目中回程段阻力较小，因此要求头尾驱动的功率配比不能按照1：1 来执行。为了保证管带机的平稳可靠运行，项目要求头尾驱动功率分配需可调，头部3 台驱动出力保持一至，尾部驱动出力应低于头部单台驱动的出力，以保证4 台驱动的功率分配更合理。驱动布置形式如图2 所示。

图 1 项目工程现场

图 2 驱动布置形式

2 多机变频驱动的同步研究与应用
长距离管带机运行具有负荷重、惯性大，启动和制动力矩不平稳等特点，由于胶带是柔性联接，管带机的每次启停胶带张力波动都较大。需保障管带机的平稳、可靠启/ 停及安全运行，若控制不好，则会出现各驱动滚筒间存在速差，从而造成对胶带的严重磨损。管带机设备各主要参数：管径为500 mm，输送量为1 500 t/h，额定带速为4 m/s，水平长度为4 500 m，提升高度为156 m，电机功率为4×1 250 kW，额定电压为6 kV，输送介质为加湿粉煤灰，驱动布置方式为头三尾一，驱动形式为高压变频。

结合项目的实际情况，主要从以下几方面进行研究

2.1 加（减）速控制研究
在长距离管带机头尾驱动布置的情况下，由于胶带是柔性联接，头尾同步启动会造成尾部驱动滚筒打滑磨损胶带的严重情况，因此在启机过程中应先同时启动头部3 台驱动电机，当胶带张力传到尾部驱动滚筒时再启动尾部电机。头部3 台电机启动时转速不能太高，当达到10 Hz 时需平稳运行10 s 后再加速，以等待尾部驱动的频率与头部同步稳定后再缓慢加速至20 Hz，最后再同步快速加速至额定频率，从而保证了启动的头尾同步及胶带的平稳运行，以减小胶带在启动过程中产生形波及打滑现象。启动加速斜坡曲线如图3 所示。

图 3 启动加速斜坡曲线

在正常停机过程中为了保证管带机的平稳停机，应同时将头尾驱动逐渐减速后再停止各驱动电机，以确保管带机的停机平稳可靠。根据管带机长度不同减速时间不同，本项目减速斜坡时间设定在20 s 左右，经过20 s后四台驱动的频率都达到10 Hz 左右时再同时停止四台驱动，以减小停机过快时胶带张力的跃变产生巨大波动，从而使管带机平稳安全可靠的停止。停机减速斜坡曲线如图4 所示。

只有当紧急情况发生（如拉绳开关动作等）或系统忽然断电时才立即同时停止4 台驱动电机，可控盘式制动器投入使用，尽量减小惯性力及驱动力消失胶带过快回弹对系统机械设备的冲击。

图 4 停机减速斜坡曲线图

2.2 速度同步控制研究
在多机驱动中，为了保证各驱动装置间速度的同步，须采用速度“主—从”控制方式。本项目中采用①号驱动电机作为主机，②、③、④号驱动电机作为从机速度跟随，始终保证3 台从机的速度与主机的速度保持一致。主机变频器速度闭环控制的原理为：主机变频器接收上位机PLC 发出的速度给定指令，与变频器通过自身计算的主电机实际速度进行比较，实现无速度传感器的矢量速度闭环控制。速度闭环控制器的输出为转矩信号，速度越低则转矩升高，速度越高则转矩降低，通过转矩的动态调速和积分，最终达到速度稳定的目的。速度同步控制的原理为：通过主机的速度反馈信号作为从机的速度指令给定信号，从机接收到给定速度后则自动跟随主机速度。上位机PLC 同时给从机速度指令信号和转矩控制指令，当从机速度与主机速度基本同步时，自动转换成转矩控制模式。转矩和速度指令为一个动态的循环过程，避免了当速度指令相同，而各驱动装置由于制造误差或安装误差造成的驱动滚筒线速度不一致，从而造成不同步情况的发生，同时也避免了因速度的不同步导致个别驱动装置出现负功的情况产生。

2.3 转矩控制研究与应用
对于变频器而言，电机的转矩等于转矩电流与电机磁通的乘积，只要励磁电流通过闭环控制即可实现对电机磁通的控制，从而实现对电机转矩的闭环控制。转矩电流闭环控制是将转矩电流给定信号与电机转矩电流反馈信号进行比较，通过动态的调节输出频率和电压以及相位，将电机的动态转矩实现为所要求的转矩。

3 多机变频驱动功率分配的研究及应用
长距离管带机多机驱动中，各驱动装置的功率分配是否合理在实际运行中十分重要，是管带机能否稳定可靠运行的关键因素之一，其功率配比主要分为以下两种型式:1）头尾多机驱动要求单台电机出力相同，功率配比按1：1 进行配置；2）头尾多机驱动要求单台电机出力不同，功率配比按需要值进行配置。

本项目中由于②、③两台从机驱动装置是通过驱动滚筒刚性联接，若功率分配不均衡，两台驱动电机出力不同，刚性联接的驱动滚筒会产生扭矩，增加滚筒受力，并可能出现其它问题，严重时可能出现电机做负工的情况。另外根据实际工况计算需要，尾部驱动电机出力应比头部单台驱动电机出力小，为了能够控制各驱动电机的出力，还采用了恒转矩高压变频驱动，能直接控制各从机的输出转矩，通过上位机PLC 计算分配给定的转矩指令给从机，从而实现从机的转矩控制要求，以保证其出力的均衡与同步，达到合理的输出功率配比。当从机为转矩控制模式时，从机接收的速度指令仅用于速度限幅，防止从机速度高于主机速度。

4 结语
变频器在长距离管带机项目应用的主要优点：控制方式灵活、可靠；功率因数高≥ 0.95 以上；转矩控制精度高；效率高，效率≥ 98%；低速时启动转矩大，满足低速验带功能；动态响应速度快；加减速斜坡时间控制方式灵活多样。

本文通过对特定的驱动布置型式及基于变频器的驱动方式进行了论述和分析。长距离管带机的精确控制是一个非常复杂的过程，对于不同的项目特征，其控制逻辑是完全不相同的，还有许多方面需要不断地探索和完善。

参考文献
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