变频控制在水泥厂带式输送机改造中的应用

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(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

“十二五”期间，国家进一步加大了节能降耗的力度，各类行业都在响应国家号召“节能减排”，水泥厂作为传统的耗能大户也采取了各种节能措施，其中变频器在生产过程中的应用是推广力度较大的措施之一。变频调速作为先进的节能调速设备，因其节能效果明显、性价比高，逐步成为水泥行业节能的主流。

1 带式输送机变频控制

输送带是带式输送机的主要组成部分，由于皮带是有弹性的，它在静止或者运行时会贮存大量的能量。在输送机滚筒旋转起动过程中，拖动皮带会产生张力波，沿着皮带把能量释放出去，若张力过大可能会造成皮带断裂。所以，带式输送机起动时需要加设软起动装置。目前，液力偶合器是应用较多的软起动装置之一。

液力偶合器作为传统皮带的启动方式，存在着以下问题：

(1)直接起动时，起动电流为电机额定电流的4～7倍，电机瞬时启动造成的机械应力大，短时发热严重，严重影响电机的使用寿命；启动过程还会拉低电网电压，甚至造成其他电气设备不能正常运行。因此，对于功率较大的电机必须采用软起动装置。

(2)采用液力偶合器时，皮带启动时间较短，造成皮带的张力较大，容易发生皮带撕裂。

(3)一般皮带传送距离较长，通常采用多电机驱动，在皮带不同位置的多台电机采用液力偶合器同时启动，会造成电机驱动时的功率不平衡。

伴随着电力电子技术的发展，变频技术的发展突飞猛进，变频器产品也发生了深刻变化。目前，变频器在生产企业中得到了广泛应用，许多水泥企业采用变频器控制取代传统的控制方式，其经济效益与社会效益很明显。

2 系统介绍

山西省某水泥厂的皮带运输系统为：石灰石经颚式破碎机破碎后，运输至预均化堆料库，运输皮带全长4.2km，输送能力为100t/h，带速为1.25m/s，系统驱动装置采用同轴两台132kW电机滚筒驱动加1台132kW电机控制，采用机尾重载张紧。原系统通过液力偶合器驱动控制，设备维护工作量大，自动化程度落后，决定采用变频技术进行改造。现场电动机布置驱动方式见图1。

图1 现场电动机布置驱动方式

3 变频系统技术方案

3.1 采用变频技术改造需解决的问题

该厂采用变频改造需要考虑的问题是：必须确保3台电机的转矩平衡，并且速度同步，同时能够满足重载起动。

(1)解决多台电机力矩及速度平衡问题。每一组电机内部力矩平衡是多电机驱动需解决的最主要的问题，负载变化、电机参数及皮带松紧等因素，都会对电机的速度和出力产生扰动性影响。为了使系统稳定地工作，几台电机必须保持一致的速度，同时尽可能保持均匀的出力。

(2)皮带重载启动问题。在皮带工作过程中，可能会因各种原因致使皮带突然停车，这时皮带上就会有很重的负载，如果这时启动皮带，就会使电机的出力超出正常出力，因此必须做到低速、缓慢地启动，降低加速度，以便不使皮带打滑或撕裂。

3.2 解决措施

(1)针对长距离胶带输送机刚性与柔性相结合的特点，通过对不同方案进行论证，采用矢量控制的变频器是最合适的。

矢量控制是通过电磁矢量对电机进行控制，以达到高调速精度、高力矩、高响应速度的目的。矢量控制现在已非常成熟，在实际使用中，可分为“带速度传感器矢量控制”和“无速度传感器矢量控制”。尤其是无速度传感器矢量控制技术，在很多工业控制场合均得到了应用。

在该项目中，由于是大力矩重载启动，需要很好的控制技术来实现。而其他的控制技术必须通过有速度传感器的速度闭环来控制，否则就会出现低速脉动转矩，使皮带出现振颤现象，会降低启动力矩。而皮带的工作环境相对较差，增加速度码盘就增加了一个故障点，致使系统的可靠性下降。无速度传感器矢量控制技术恰好适合于该应用场合，既可以解决重载启动问题，又可使系统更简化，减少故障点，提高可靠性，使整个系统因为故障停运的时间大大减少。所以，矢量控制技术是皮带传动的最佳技术方案。

(2)力矩平衡控制方式。多台变频器驱动电机控制皮带的情况，通常采用“主-从”控制方式来实现力矩及速度平衡。其中1台变频器作为主传动，采用闭环速度控制模式；其余变频器接收主变频器的力矩信号，采用闭环力矩控制方式(见图2)，PLC与各主从驱动间采用PROFIBUS-DP实现通讯。

3.3 控制方式

(1)就地控制。在就地控制方式下，通过操作台上的起动按钮控制，可控制现场皮带起、停及3台电机的力矩和功率平衡，实现皮带机的连锁起停控制功能，沿线皮带保护均可投入。

(2)自动方式。在自动工作方式下，整个系统的控制权交给了前级或地面总控室，由前级或地面总控室发出指令，完成皮带系统的起停控制，自动实现皮带机的力矩及功率的平衡，整个系统保护均投入工作。

图2 3台变频器分别控制3台电动机驱动

(3)检修方式。在检修方式下，皮带机进入低速验带的工作方式，速度<0.2m/s，以便于检修人员认真检查，同时，各种保护可选择性地投入运行。

(4)手动方式。当系统发生故障时，皮带可单台进行手动控制，沿线保护不参与工作，只保留停车保护。

4 改造效果

变频器在水泥厂带式输送机控制系统中的应用，既解决了原有系统存在的问题，同时在节能等方面也体现出极大的优势。

(1)实现了带式输送机系统的软起动，减少了设备投资与维护量。变频器的起动时间可以根据现场工况调整，皮带机起动时间通常在60～200s内设定，延长皮带机的起动时间后，电机慢速起动。皮带随着电机运行速度的提高，皮带逐步张紧，避免了皮带撕裂，因而可降低对皮带的要求，节约了设备投资。另外，在正常维护下，变频器工作寿命很长，这也大大降低了设备的维护量。

(2)实现了多个电机拖动皮带时的速度与功率的匹配。在变频控制中，变频器采用“主-从”控制模式，实现了各个电机的功率平衡。负载较轻时，两台电机电流相差4A，额定负荷时大约相差2A。

(3)系统的功率因数提高。在电机选型时，通常情况下是按照满载工作的情况确定，余量较大，而实际上电机往往达不到满载负荷工作。根据电机的运行特点，工作在额定负载时效率最高，而当负载轻时，励磁电流的无功分量形成旋转磁场，拖动负载的有功分量很小，导致功率因数较低。采用变频器驱动电机的功率因数可达0.9以上，降低了无功功率。

(4)系统的效率提高。采用变频器驱动之后，电机与减速器之间是通过齿轮硬连接，中间减少了利用液力偶合的缓冲环节。液力偶合器是通过高速液体进入涡轮后产生的推动力传递能量，由于液体的传动效率低，改用变频器驱动控制减速器的传递效率比液力偶合器驱动可提高10%以上。

此外，水泥生产企业一般距离供电公司较远，电压波动幅度较大，通过变频器交直整流回路可稳定电压，也能起到一定的节能作用。

5 结语

运用变频技术改造带式输送机驱动系统是一种发展趋势，随着变频技术的进一步发展，变频器终将取代液力偶合器在带式输送机驱动系统中的位置，大量的应用实例也已经说明了这一点。