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1、前言
    帶式輸送機(jī)的“軟啟動(dòng)”指輸送機(jī)在重載工況下可控制地逐步克服整個(gè)系統(tǒng)的慣性而平穩(wěn)地啟動(dòng)。本文重點(diǎn)從機(jī)械上選擇CST可控軟啟動(dòng)、從電氣上選擇變頻控制( VFC)2種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析，并對(duì)變頻控制進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，為帶式輸送機(jī)選用合理的軟啟動(dòng)裝置提供依據(jù)。
2、可控軟啟動(dòng)裝置
    CST( Controlled  Start Transmission)是由美國(guó)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(jí)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(dòng)力矩的。CST具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)帶式輸送機(jī)可使用單臺(tái)，亦可使用多臺(tái)CST，啟動(dòng)負(fù)載之前驅(qū)動(dòng)電機(jī)空載啟動(dòng)，而CST輸出軸并不運(yùn)動(dòng)。在電機(jī)達(dá)到額定的速度之后，通過控制系統(tǒng)使每臺(tái)CST離合器的液壓力逐漸增加來緩慢、平穩(wěn)地對(duì)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(dòng)條件而不是啟動(dòng)條件，從而使用CST時(shí)電機(jī)的功率及尺寸可減小到最��；(3)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)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(shí)的功率及力矩超過安全限度，以保證帶式輸送機(jī)過載時(shí)不能運(yùn)行，從而保護(hù)該系統(tǒng)的其他部件；(5)其啟動(dòng)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(diǎn)是：(1)驅(qū)動(dòng)電機(jī)空載啟動(dòng)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)大的起動(dòng)電流，嚴(yán)重的會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)；(2)提高的僅是機(jī)械的傳動(dòng)效率，對(duì)整個(gè)傳動(dòng)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(dòng)方式。其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：完全可調(diào)節(jié)起動(dòng)速度斜率，軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)性能良好；電機(jī)+減速器+驅(qū)動(dòng)裝置’的驅(qū)動(dòng)方式，占地少、無(wú)CST的漏油麻煩；節(jié)能效果明顯，無(wú)運(yùn)行功率損耗；可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)驅(qū)動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩和加速度。當(dāng)然變頻也有其技術(shù)缺陷：無(wú)法實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的分時(shí)空載啟動(dòng)；變頻器的工作原理導(dǎo)致對(duì)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(gè)電力電子控制器，可以從零點(diǎn)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(dòng)或停車，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟蹤啟動(dòng)或停車曲線。這種驅(qū)動(dòng)方式為傳送帶啟動(dòng)提供了優(yōu)良的速度和轉(zhuǎn)矩控制，也能為多驅(qū)動(dòng)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(dòng)上，但是，過去在中高電壓使用時(shí)，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(dòng)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(gè)低壓逆變器串聯(lián)來解決。與簡(jiǎn)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(dòng)中近年來獲得了越來越多的應(yīng)用。由3臺(tái)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(zhǎng)
2.7km的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)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(dòng)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(diǎn)箝位拓?fù)涞闹懈邏耗孀兤髟O(shè)計(jì)有了更大的應(yīng)用范圍。這種逆變器目前可以實(shí)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(gè)開關(guān)只需要一個(gè)HV-IGBT。
    與兩電平電壓型逆變器相比，三電平中點(diǎn)箝位電壓型逆變器提供3個(gè)電壓級(jí)別給輸出端，對(duì)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(diǎn)箝位電壓型逆變器實(shí)現(xiàn)，可以滿足中高壓交流傳動(dòng)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(diǎn)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(gè)點(diǎn)。例如，當(dāng)開關(guān)SIU和S2u閉合時(shí)，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(shí)，U相處于狀態(tài)Ⅳ（負(fù)母線電壓）。在中性點(diǎn)箝位時(shí)，該相在D狀態(tài)，這時(shí)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(diǎn)電壓平衡，在0點(diǎn)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(duì)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(duì)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(duì)于需要有再生能力的更高級(jí)應(yīng)用，可以用一個(gè)有源輸入整流器取代二極管整流器，這時(shí)輸入整流器與輸出逆變器為同一結(jié)構(gòu)。這樣在整個(gè)速度控制范圍內(nèi)就很容易實(shí)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(chǎng)定向矢量控制器實(shí)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(gè)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(hào)相加。對(duì)相加結(jié)果的頻率信號(hào)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(gè)精巧的PWM調(diào)制器產(chǎn)生的。該調(diào)制器實(shí)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(gè)參考波，但只使用一個(gè)三角波。以一種優(yōu)化方式確定每一次開關(guān)時(shí)刻，通過優(yōu)化同時(shí)達(dá)到如下幾個(gè)目的：①使產(chǎn)生的諧波盡可能的��；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(gè)參考波里以便最大化基波電壓；④作為一個(gè)附加的自由度，參考波與三角波的相對(duì)位置可改變。這個(gè)可用于直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)的電流平衡。
3.4測(cè)試結(jié)果
    在國(guó)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(gè)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(zhǎng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成功安裝之后，對(duì)整個(gè)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)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(cè)結(jié)果顯示出帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yǔ)
    近年來，大型帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)選擇。在這些選擇中，變頻調(diào)速方法由于在長(zhǎng)距離傳送驅(qū)動(dòng)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(diǎn)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(jiǎn)單。