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1、前言
    帶式輸送機(jī)的“軟啟動”指輸送機(jī)在重載工況下可控制地逐步克服整個系統(tǒng)的慣性而平穩(wěn)地啟動。本文重點從機(jī)械上選擇CST可控軟啟動、從電氣上選擇變頻控制( VFC)2種驅(qū)動方式進(jìn)行分析，并對變頻控制進(jìn)行了現(xiàn)場測試，為帶式輸送機(jī)選用合理的軟啟動裝置提供依據(jù)。
2、可控軟啟動裝置
    CST( Controlled  Start Transmission)是由美國DODGE公司研制開發(fā)的一種新型機(jī)電一體化產(chǎn)品，它由多級齒輪減速器、濕式線形離合器、液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。CST是一種液體黏性調(diào)速器（又稱黏滯離合器、油膜離合器），它是通過改變離合器片的間距達(dá)到改變黏性液體間的剪切力來改變傳動力矩的。CST具有以下優(yōu)點：(1)帶式輸送機(jī)可使用單臺，亦可使用多臺CST，啟動負(fù)載之前驅(qū)動電機(jī)空載啟動，而CST輸出軸并不運(yùn)動。在電機(jī)達(dá)到額定的速度之后，通過控制系統(tǒng)使每臺CST離合器的液壓力逐漸增加來緩慢、平穩(wěn)地對輸送帶進(jìn)行張緊，輸送帶平穩(wěn)地加速到全速，從而輸送帶受力平穩(wěn)，其安全系數(shù)一般可由10降到5；(2)由于電機(jī)的選擇是基于運(yùn)動條件而不是啟動條件，從而使用CST時電機(jī)的功率及尺寸可減小到最小；(3)帶式輸送機(jī)啟動平穩(wěn)，可在較低的力矩及加速度狀態(tài)下投入運(yùn)行，消除輸送帶過大的張力；(4)該系統(tǒng)可防止輸入到帶式輸送機(jī)時的功率及力矩超過安全限度，以保證帶式輸送機(jī)過載時不能運(yùn)行，從而保護(hù)該系統(tǒng)的其他部件；(5)其啟動系數(shù)為1左右，所選擇輸送帶的強(qiáng)度可降低30%左右。CST裝置的缺點是：(1)驅(qū)動電機(jī)空載啟動，不可避免地會出現(xiàn)大的起動電流，嚴(yán)重的會引起電網(wǎng)電壓的波動；(2)提高的僅是機(jī)械的傳動效率，對整個傳動系統(tǒng)的總體效率貢獻(xiàn)不大；并且運(yùn)行中發(fā)熱量極大；(3)CST用油的質(zhì)量要求高，液壓及控制系統(tǒng)復(fù)雜，備件難以供應(yīng)，維修困難。
3、變頻控制
    變頻控制也是一種直接驅(qū)動方式。其技術(shù)優(yōu)點：完全可調(diào)節(jié)起動速度斜率，軟啟動、軟制動性能良好；電機(jī)+減速器+驅(qū)動裝置’的驅(qū)動方式，占地少、無CST的漏油麻煩；節(jié)能效果明顯，無運(yùn)行功率損耗；可以實現(xiàn)多臺驅(qū)動電機(jī)之間的功率平衡；響應(yīng)速度快，調(diào)速性能好；變頻裝置為感應(yīng)電機(jī)提供變化的頻率和電壓，產(chǎn)生優(yōu)良的啟動轉(zhuǎn)矩和加速度。當(dāng)然變頻也有其技術(shù)缺陷：無法實現(xiàn)多臺電機(jī)的分時空載啟動；變頻器的工作原理導(dǎo)致對電網(wǎng)的諧波影響；受防爆外殼的限制，功率容量一般在400 kW/1140 V以下。變頻控制本身是一個電力電子控制器，可以從零點幾馬力到幾千馬力，把AC整流成DC，然后利用逆變器，再將DC轉(zhuǎn)換成頻率、電壓可控的AC。采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)，能根據(jù)不同的負(fù)載采用不同的運(yùn)行速度。根據(jù)給定的S曲線啟動或停車，實現(xiàn)了自動跟蹤啟動或停車曲線。這種驅(qū)動方式為傳送帶啟動提供了優(yōu)良的速度和轉(zhuǎn)矩控制，也能為多驅(qū)動系統(tǒng)提供負(fù)載均分。變頻控制器可以容易地裝在小功率傳送驅(qū)動上，但是，過去在中高電壓使用時，變頻控制的結(jié)構(gòu)由于電力半導(dǎo)體器件的電壓額定值限制而變得很復(fù)雜，中高電壓的變速傳動常常使用低壓逆變器，然后在輸出端使用升壓變壓器，或使用多個低壓逆變器串聯(lián)來解決。與簡單的器件串聯(lián)連接的兩電平逆變器系統(tǒng)比較，由于串聯(lián)器件之間容易均壓以及輸出端可以有更好的諧波特性，三電平電壓型PWM逆變器系統(tǒng)在數(shù)兆瓦工業(yè)傳動中近年來獲得了越來越多的應(yīng)用。由3臺750 kW/2.3 kV的這種逆變器構(gòu)成的變頻控制系統(tǒng)已經(jīng)成功地安裝在成莊煤礦長
2.7km的帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中。
    下面首先介紹一下三電平逆變器的基本工作原理。
3.1使用IGBT的中性點箝位三電平逆變器
    由于串聯(lián)器件電壓均分容易，器件每次開關(guān)的dv/dt低，以及輸出端出色的諧波品質(zhì)，三電平電壓型逆變器在大功率傳動應(yīng)用中變得越來越流行。高壓- IGBT( HV - IGBT)的出現(xiàn)使得應(yīng)用三電平中性點箝位拓?fù)涞闹懈邏耗孀兤髟O(shè)計有了更大的應(yīng)用范圍。這種逆變器目前可以實現(xiàn)從2.3~4.16 kV全范圍的應(yīng)用。HV - IGBT模塊串聯(lián)可使用在3.3 kV和4.16 kV的設(shè)備。2.3 kV逆變器每個開關(guān)只需要一個HV-IGBT。
    與兩電平電壓型逆變器相比，三電平中點箝位電壓型逆變器提供3個電壓級別給輸出端，對于同樣的輸出電流品質(zhì)，開關(guān)頻率可降低到原來的1/4。并且開關(guān)器件的電壓額定值可減小到原來的1/2，附加到電機(jī)上的額外的瞬態(tài)電壓應(yīng)力也可能減少到原來的1/2。主功率逆變電路用三電平中點箝位電壓型逆變器實現(xiàn)，可以滿足中高壓交流傳動應(yīng)用的需要。圖1為輸入端帶有12脈沖二極管整流器，輸出端為三電平電壓型逆變器的主回路電路圖。
    三電平中點箝位電壓型逆變器的開關(guān)狀態(tài)可歸納于表1。U，V和W分別表示三相；P，Ⅳ和0是直流母線上的3個點。例如，當(dāng)開關(guān)SIU和S2u閉合時，U相處于狀態(tài)P（正母線電壓），反之，當(dāng)開關(guān)S3U和S4U閉合時，U相處于狀態(tài)Ⅳ（負(fù)母線電壓）。在中性點箝位時，該相在D狀態(tài)，這時根據(jù)相電流極性的正負(fù)，或者是S2U導(dǎo)通或者是S3U導(dǎo)通。為了保證中性點電壓平衡，在0點被注入的平均電流應(yīng)該是零。如表1所示。
3.2輸入端整流器
    對于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用，通常使用12脈沖二極管整流器給直流環(huán)節(jié)電容器充電。這種拓?fù)湓谳斎攵艘�入的諧波是很小的。如果對輸入諧波有更高的要求，可以使用24脈沖二極管整流器作為輸入整流器。對于需要有再生能力的更高級應(yīng)用，可以用一個有源輸入整流器取代二極管整流器，這時輸入整流器與輸出逆變器為同一結(jié)構(gòu)。這樣在整個速度控制范圍內(nèi)就很容易實現(xiàn)極佳的恒轉(zhuǎn)矩和低的電機(jī)損耗。
3.3逆變器控制
    (1)電機(jī)控制
    感應(yīng)電機(jī)的控制可以使用轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制器實現(xiàn)。圖2所示為間接矢量控制框圖，通過使用PWM調(diào)制器完成了恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和高速弱磁區(qū)的控制。在這個圖中，指令磁通是速度的函數(shù)，反饋速度和前饋滑差控制信號相加。對相加結(jié)果的頻率信號積分，然后產(chǎn)生單位矢量。最后通過矢量旋轉(zhuǎn)器產(chǎn)生電壓控制PWM調(diào)制器。
    ( 2) PWM調(diào)制器
    要求的電壓矢量是通過使用一個精巧的PWM調(diào)制器產(chǎn)生的。該調(diào)制器實際上是把空間矢量調(diào)制概念擴(kuò)展到三電平逆變器。其基本原理可以用規(guī)則采樣的正弦波一三角波比較的兩電平PWM來解釋。與兩電平PWM不同的是，三電平PWM調(diào)制器使用2個參考波，但只使用一個三角波。以一種優(yōu)化方式確定每一次開關(guān)時刻，通過優(yōu)化同時達(dá)到如下幾個目的：①使產(chǎn)生的諧波盡可能的小；②使用盡可能低的開關(guān)頻率以最小化開關(guān)損耗；③如在兩電平逆變器中一樣，將零序成分加到每一個參考波里以便最大化基波電壓；④作為一個附加的自由度，參考波與三角波的相對位置可改變。這個可用于直流環(huán)節(jié)中點的電流平衡。
3.4測試結(jié)果
    在國內(nèi)煤炭行業(yè)中，大型輸送機(jī)變頻控制應(yīng)用也越來越廣泛。3個750 kW/2.3 kV三電平逆變器在晉城礦務(wù)局成莊煤礦2.7 km長帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)成功安裝之后，對整個變頻傳動系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試。測試結(jié)果顯示出使用該控制系統(tǒng)的帶式輸送機(jī)的優(yōu)良特性。所有檢測結(jié)果顯示出帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)令人滿意的特性，并且運(yùn)行中也顯示了其節(jié)能的優(yōu)越性。
4、結(jié)語
    近年來，大型帶式輸送機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步給用戶提供更可靠、更節(jié)約成本、更高性能的傳送驅(qū)動系統(tǒng)選擇。在這些選擇中，變頻調(diào)速方法由于在長距離傳送驅(qū)動中的優(yōu)良性能顯示出更有希望的應(yīng)用前景。使用高壓IGBT的中點嵌位三電平逆變器本身就可以提供電機(jī)終端所需的供電中高壓，從而消除在過去大部分此種應(yīng)用中需要的升壓變壓器，使中高壓變頻控制應(yīng)用變得更簡單。