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摘要：新型永磁材料的出現(xiàn)大大促進(jìn)了永磁同步電機(jī)的發(fā)展，其優(yōu)越的性能和節(jié)能效果，已廣泛應(yīng)用到多個領(lǐng)域，尤其是高電量用戶的廠礦企業(yè)。英威騰Goodrive3000系列中壓變頻器作為永磁同步電機(jī)驅(qū)動在煤礦井下帶式輸送機(jī)有著廣泛的應(yīng)用和良好的口碑。

關(guān)鍵詞：Goodrive3000系列；三電平；變頻器；永磁同步電機(jī)；皮帶機(jī)

1 引言

永磁同步電機(jī)和異步電動機(jī)相比，由于不需要無功勵磁電流，因而效率高、功率因數(shù)高、力矩慣量比大、定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好。

目前煤礦企業(yè)主運(yùn)輸多以膠帶運(yùn)輸機(jī)為主，傳統(tǒng)的配套模式為異步電動機(jī)驅(qū)動減速器，設(shè)備體積龐大，占用巷道空間，且減速器所用齒輪油價格高，用量大，后期維護(hù)量大，污染大。使用永磁同步電機(jī)直驅(qū)方式，提高了效率，淘汰了減速機(jī)等中間環(huán)節(jié)，利于企業(yè)的降本增效。

圖1 輸送機(jī)用永磁直驅(qū)系統(tǒng)

永磁同步電動機(jī)不能采用降壓啟動方式。因為在降壓供電條件下，其異步啟動轉(zhuǎn)矩下降比異步電動機(jī)大，會造成啟動困難。同步電機(jī)的起動方法主要有異步起動法和變頻起動法。異步起動使永磁同步電機(jī)加工工藝更為復(fù)雜，機(jī)械強(qiáng)度更差，而變頻起動對變頻器的性能和質(zhì)量有較高的要求。Goodrive3000系列中壓變頻器是英威騰公司自主研發(fā)的三電平同步異步電機(jī)控制一體變頻器，廣泛應(yīng)用于煤礦行業(yè)永磁同步電機(jī)的驅(qū)動控制，以優(yōu)異的性能和穩(wěn)定性得到了客戶的認(rèn)可。

2 應(yīng)用現(xiàn)場設(shè)備及運(yùn)行工況分析

2.1 項目簡介

位于鄂爾多斯的某大型煤礦，井田東西長10km，南北寬5.6km，面積43.51km²。煤礦采用斜井開拓方式，設(shè)計生產(chǎn)能力500萬噸/年的現(xiàn)代化礦井。該礦井新建南郊皮帶為永磁直驅(qū)，皮帶機(jī)的永磁電機(jī)使用英威騰Goodrive3000系列中壓變頻器驅(qū)動。

2.2 現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)（如表1所示）

表1 電機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.3 現(xiàn)場工況示意

現(xiàn)場包含一臺控制箱，受控設(shè)備為3臺BPJ-800/1140礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器（GD3000-01-800G-12機(jī)芯）、3臺同步機(jī)及配套水冷設(shè)備，被控于皮帶保護(hù)箱。應(yīng)用于該煤礦南郊主運(yùn)皮帶，實現(xiàn)3臺變頻器的同步運(yùn)行及集中管理和電機(jī)水冷系統(tǒng)的監(jiān)控。三臺變頻器通過CAN通訊進(jìn)行主從控制，控制箱內(nèi)使用高性能PLC與3臺變頻器進(jìn)行DP通訊，可以實時監(jiān)控變頻器狀態(tài)，并可以通過控制箱調(diào)整變頻器主從機(jī)的參數(shù)設(shè)置。

圖2 永磁同步直驅(qū)皮帶機(jī)驅(qū)動方案

3 變頻器配置方案

3.1 Goodrive3000系列中壓變頻器特性

（1）技術(shù)創(chuàng)新

英威騰Goodrive3000系列變頻器是一款高性能通用矢量變頻器，采用三電平的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可用來控制交流異步感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)，可以滿足不同電機(jī)的工作模式。同時，該產(chǎn)品采用優(yōu)異的矢量控制技術(shù)，功能更優(yōu)化，應(yīng)用更靈活，性能更穩(wěn)定。

·Goodrive3000系列中壓變頻器，逆變采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用較低耐壓的功率器件，直接應(yīng)用于更高電壓等級的主回路拓?fù)浼夹g(shù)，可避免器件串聯(lián)引起的動態(tài)均壓問題，同時降低輸出諧波和du/dt；

·采用高速DSP+FPGA雙核心處理器，具備更快的運(yùn)算速度，更高的控制精度；采用優(yōu)異的矢量控制技術(shù)，功能更優(yōu)化，應(yīng)用更靈活，性能更穩(wěn)定；

·采用定制疊層銅排，減小線路雜散電感，緊湊化模塊化設(shè)計，體積小且易維護(hù)；

·母線采用薄膜電容設(shè)計，耐壓能力高，絕緣電阻極高，耐紋波能力強(qiáng)，可靠性高，損耗極低，發(fā)熱少，整機(jī)壽命長；

·采用主從控制策略，實現(xiàn)多機(jī)功率平衡；

·集同步機(jī)、異步機(jī)控制于一體，兼容性高；

·電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，減少因輸出波形非正弦造成的機(jī)械振動，緩解軸電流對電機(jī)軸承的電腐蝕，延長電機(jī)壽命；

·輸出諧波顯著降低，大幅仰制變頻器引起的傳導(dǎo)，輻射干擾，具備優(yōu)良EMC特性。

3.2 DP控制方案

配置EC-TX103通訊卡，將變頻器連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上，變頻器為從屬設(shè)備。通過EC-TX103通訊卡，可以完成如下功能：

·向變頻器發(fā)出控制命令（啟動、停止、故障）；

·給變頻器發(fā)送速度或轉(zhuǎn)矩給定信號；

·從變頻器中讀取狀態(tài)值和實際值；

·修改變頻器參數(shù)值。

3.3 變頻器選型

結(jié)合現(xiàn)場實際，選型如表2所示：

表2

4 客戶現(xiàn)場具體使用效果

4.1 現(xiàn)場使用效果

該煤礦三套變頻器使用英威騰Goodrive3000系列產(chǎn)品，現(xiàn)已調(diào)試完畢，運(yùn)行安全可靠。從運(yùn)行測試效果來看，系統(tǒng)啟動電流低、啟動轉(zhuǎn)矩大，在投入運(yùn)行至今，系統(tǒng)可靠性高，操作簡單，且能夠與礦井自動化系統(tǒng)相接，提高了生產(chǎn)效率。真正實現(xiàn)了皮帶機(jī)的重載啟停和功率平衡。

·實現(xiàn)了皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的軟起動、軟停止；

·解決帶式輸送機(jī)重載軟啟動，減少機(jī)械和電氣沖擊；

·降低設(shè)備的維護(hù)量；

·變頻器可調(diào)整電機(jī)工作于5％~100％額定帶速范圍內(nèi)的任意帶速長期工作，提高了皮帶檢修效率；

·實現(xiàn)三臺電機(jī)的動態(tài)功率平衡；

·實現(xiàn)永磁電機(jī)直接驅(qū)動皮帶滾筒，節(jié)省減速箱、液力耦合器等設(shè)備，降低系統(tǒng)成本并提高可靠性。

4.2 運(yùn)行效果

現(xiàn)場實測設(shè)備運(yùn)行波形如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場變頻器運(yùn)行電流

4.3 結(jié)語

綜上所述，英威騰Goodrive3000系列中壓變頻器驅(qū)動永磁同步電機(jī)完全滿足煤礦井下皮帶機(jī)系統(tǒng)負(fù)載控制要求，在皮帶機(jī)應(yīng)用中表現(xiàn)出很好的調(diào)速性能、高可靠性、高啟動轉(zhuǎn)矩、良好的功率平衡、極低的維護(hù)量和維護(hù)成本等優(yōu)勢，提高了煤礦井下運(yùn)輸系統(tǒng)的自動化程度。同時在國家大力提倡節(jié)能減排的大環(huán)境中，大力推進(jìn)變頻器及永磁同步電機(jī)在皮帶機(jī)上的應(yīng)用具有積極的社會意義和現(xiàn)實意義。

隨著對行業(yè)的進(jìn)一步深入了解，英威騰將會推出更多性能優(yōu)越的產(chǎn)品，為礦山行業(yè)的客戶提供更安全可靠、值得信賴的解決方案，助力客戶創(chuàng)造更大的價值。

摘自《自動化博覽》2020年6月刊