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案例頻道一、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(biāo)準(zhǔn)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(shí)也是節(jié)能潛力大戶。目前我國煤礦行業(yè)存在電機(jī)啟動困難、機(jī)械損傷嚴(yán)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(jìn)行節(jié)能降耗改造。據(jù)統(tǒng)計(jì)，按節(jié)電率30%計(jì)，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(jī)設(shè)備進(jìn)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(jī)是一種重要的礦山運(yùn)輸機(jī)械。由于它結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長，運(yùn)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(jī)介紹
2.1 刮板輸送機(jī)
利用固接在牽引鏈上的刮板在敞開的料槽中刮運(yùn)散狀物料的輸送機(jī)。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(jī)實(shí)物圖
2.2 刮板輸送機(jī)的分類
刮板輸送機(jī)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(jī)軌道與機(jī)組配合工作的刮板輸送機(jī)，適用的煤層角度一般不超過10度。煤層傾角大時(shí)，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(jī)運(yùn)送煤炭。目前，采煤工作面多使用可彎曲刮板輸送機(jī)，以適應(yīng)自動化、綜合機(jī)械化采煤的需要，與相應(yīng)的采煤機(jī)、金屬支架或自移式液壓支架配套使用。
刮板輸送機(jī)的電動機(jī)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(jī)。
（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(jī)。
（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(jī)。
（4）按卸載方式，可分為端卸式和側(cè)卸式刮板輸送機(jī)。
（5）按功率大小，可分為輕型（單電動機(jī)額定功率輕型(P≤40kW)、中型(40kW＜P ≤90kW)、重型(P＞90kW) 。
2.3 刮板輸送機(jī)的組成
刮板輸送機(jī)是一種有撓性牽引機(jī)構(gòu)的連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械。溜槽是煤炭的承載機(jī)構(gòu)，其牽引推運(yùn)機(jī)構(gòu)是繞過機(jī)頭鏈輪和機(jī)尾鏈輪（或滾筒）而進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動的無極閉合的刮板鏈。啟動電動機(jī)，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(yùn)轉(zhuǎn)，將裝在溜槽中的煤炭推運(yùn)到機(jī)頭處卸載轉(zhuǎn)運(yùn)。各種類型的刮板輸送機(jī)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(jī)一般是由機(jī)頭部；機(jī)身部和機(jī)尾部三部分組成。
刮板輸送機(jī)的組成部件：
1）機(jī)頭部：由機(jī)頭架和安裝其上的鏈輪組件、聯(lián)軸器、減速箱和電動機(jī)組成。
2）機(jī)尾部：機(jī)尾架、鏈輪組件、聯(lián)軸器、減速箱、電動機(jī)。
3）機(jī)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(xiàng)目信息
陜西某國營大型煤礦現(xiàn)場，刮板輸送機(jī)的功率為1250kW，全天24小時(shí)不間歇運(yùn)行。每臺刮板輸送機(jī)用兩臺同等功率、同等電壓的電機(jī)驅(qū)動，這兩臺電機(jī)電壓均為3.3kV，單臺功率覆蓋范圍是160kW～1250kW；生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)要求同步啟動兩臺電機(jī)，啟動時(shí)間要求1～2分鐘。
現(xiàn)需要兩臺變頻器驅(qū)動兩臺電機(jī)帶動負(fù)載刮板輸送機(jī)。
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(jī)機(jī)頭部和機(jī)尾部的電機(jī)。
2）控制回路：遠(yuǎn)程監(jiān)控方案，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控兩臺CM3000高壓三電平變頻的運(yùn)行情況；可以同時(shí)進(jìn)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(dú)立的兩臺變頻器通過主、從機(jī)的同步CAN總線通訊方式保證雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速一致，功率平衡。兩臺電機(jī)中任意一臺都可作為主機(jī)，另一臺為從機(jī)。變頻器對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩都能獨(dú)立控制，主從變頻器通訊采用CAN總線通訊，抗干擾能力強(qiáng)，通訊速率高。變頻器采用主從控制方案，主機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制，從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制。主機(jī)通過CAN通訊實(shí)時(shí)采集從機(jī)電流信號、電壓信號、頻率信號，實(shí)時(shí)調(diào)整給從機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號，使主機(jī)和從機(jī)的功率達(dá)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(shí)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(shí)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(hù)功能。外部冷卻水設(shè)有溫度、壓力與液位保護(hù)功能。
圖3：水冷系統(tǒng)外圍設(shè)備圖
3.3運(yùn)行性能
（1）CAN通訊
主機(jī)的CAN2+、CAN2-對應(yīng)連接從機(jī)的CAN2+、CAN2-。下圖為CM3000高壓三電平變頻運(yùn)行時(shí)CAN通訊的波形。
圖4：CAN通訊實(shí)時(shí)波形圖
（2）實(shí)際的電流波形
測試相關(guān)波形的條件是主機(jī)用電流鉗，從機(jī)用普通探頭測的主板的IU測試點(diǎn)。剛開始調(diào)試時(shí)波形，其中CH1黃色—主機(jī)電流，CH2綠色—從機(jī)磁鏈反饋，CH3紫色—從機(jī)辨識速度，CH4紅色—主機(jī)電流；
a）CM3000高壓三電平變頻啟動波形。
圖5：實(shí)時(shí)電流圖
b）CM3000高壓三電平變頻停機(jī)時(shí)的波形。
圖6：停機(jī)時(shí)波形圖
3．CM3000高壓三電平變頻帶載時(shí)運(yùn)行波形。
圖7：運(yùn)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(diǎn)：基于電機(jī)d - q軸系數(shù)學(xué)方程，對電機(jī)的磁鏈、電流進(jìn)行解耦控制，具有磁鏈、
電壓閉環(huán)特點(diǎn)。
◆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(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，抱閘磨損小，沖擊小。
4.2 三電平技術(shù)
圖9：三電平拓?fù)鋱D
◆原理：利用二極管中性點(diǎn)箝位的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得每相輸出具有三個(gè)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。
4.3 先進(jìn)的中點(diǎn)電位平衡控制技術(shù)
圖10：中點(diǎn)控制比較
◆原理：通過檢測直流母線及中點(diǎn)的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證中點(diǎn)電位平衡。
◆優(yōu)勢：控制精度好，響應(yīng)速度快。
◆效果：將中點(diǎn)電位波動控制在一定范圍內(nèi)。
4.4 多電機(jī)同步技術(shù)
圖11： 電流波形圖
◆技術(shù)特點(diǎn)：采用主從+下垂電機(jī)同步控制技術(shù)，確保多臺電機(jī)負(fù)荷均衡分配。
◆優(yōu)勢：負(fù)荷均衡分配。
◆效果：對于多臺電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，可防止因電機(jī)負(fù)荷分配不均而造成電機(jī)損壞。
4.5 先進(jìn)的控制硬件平臺
◆技術(shù)特點(diǎn)：匯川技術(shù)CM3000高壓三電平變頻以高速浮點(diǎn)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(biāo)遠(yuǎn)小于IEE519-1992的諧波國家標(biāo)準(zhǔn)，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(bǔ)償裝置和輸出濾波器。
◆優(yōu)勢：(1)運(yùn)算速度更快，控制更精準(zhǔn)。(2)飛車啟動功能。能夠識別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接啟動。(3)具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會導(dǎo)致重大事故。CM3000高壓三電平變頻在發(fā)生類似問題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)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(dāng)現(xiàn)場電壓瞬間跌落或波動時(shí)、系統(tǒng)可保證瞬間失電不跳閘，且在失電后5個(gè)周期內(nèi)變頻器運(yùn)行不受影響，超過5個(gè)周期變頻器自動降額運(yùn)行。該特點(diǎn)保證設(shè)備在電網(wǎng)波動的情況下，最大限度實(shí)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(jī)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(jī)。
4.6長壽命設(shè)計(jì)
◆采用薄膜電容設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)理念，整機(jī)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(hù)。
4.7易于維護(hù)
◆采用模塊化設(shè)計(jì)理念：產(chǎn)品的驅(qū)動部分采用相同的橋臂模塊設(shè)計(jì)，便于備件更換；系統(tǒng)拆裝簡單，現(xiàn)場可維護(hù)。
◆其他廠家現(xiàn)狀：產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)。
◆優(yōu)勢：現(xiàn)場容易維護(hù)。
4.8 水冷設(shè)計(jì)
◆系統(tǒng)采用水冷設(shè)計(jì)方案：開放式水冷結(jié)構(gòu)； 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(jié)露設(shè)計(jì)。
◆其他廠家現(xiàn)狀：熱管方案。
◆優(yōu)勢：熱設(shè)計(jì)余量大，可靠性高。
五、結(jié)束語
CM3000高壓三電平變頻系列產(chǎn)品為蘇州匯川技術(shù)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(yùn)行，也有力證明了我公司的磁鏈閉環(huán)控制技術(shù)、中性點(diǎn)鉗位三電平技術(shù)較同類廠家的控制方式更先進(jìn)。投運(yùn)一年多以來，高效率零故障，兩電機(jī)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(shù)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(wù)于中高端設(shè)備制造商，以擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)自動化控制技術(shù)為基礎(chǔ)，以快速為客戶提供個(gè)性化的解決方案為主要經(jīng)營模式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)價(jià)值與客戶價(jià)值共同成長。匯川在全國擁有66個(gè)辦事處，236家授權(quán)代理商，90家全國聯(lián)保中心。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號