1、1煤炭中转码头工程皮带驱动电机变频控制方案摘要：本文详细介绍了全国最大海河联运煤炭码头工程的皮带机驱动电机采用全变频控制的系统方案,可供大家交流。 关键词：煤炭中转码头工程;皮带电机;变频控制 中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号： 一、工程概况 本煤炭码头工程位于南方某港区，工程电源供电方案，按照城市电源供电设计，用电负荷等级定为二级。要求电网就近提供 2 路 20KV 电源至港区，互为热备。 根据工程总平面布置、负荷性质和分布情况、用电容量、工程特点、系统规模和发展规划以及当地供电条件，本工程拟设一座 20KV 总降压变电站、四座分变电所。 控制系统的各个分控制室，结合分变
2、电所位置布置。整个控制系统，设一个中央控制室，位于顶楼，内设监视墙、操作台、计算机管理设备、控制设备、调度广播设备、电视监控设备等。四个分变电所内，各设 PLC分控制室。 二、控制系统设计方案 2本煤炭码头工程的自动控制和计算机管理系统，采用管控一体化技术方案。管控一体化系统的主要功能：一方面是监控功能：在中控室实现对煤炭的装卸、堆取、输送等主要设备的操作控制，同时通过工业电视实现对整个堆场和码头的视频监控，以及和各种其它辅助系统的接口。另一方面是管理功能：可以使管理者不出办公室即可监视整个码头的运行情况、分析各种数据、统计各种报表、掌握调度计划、安排各项作业。通过管控一体化系统可以大大提高工
3、作效率、保证安全生产，实现优化调度。 系统主要由以下几部分组成：码头及煤场 PLC 控制系统、煤场喷洒水系统、水喷雾系统、污水处理系统、工业电视监控系统、DLP 大屏监视系统、广播调度系统、电力监控系统、消防报警系统、照明控制系统和计算机生产管理系统、信息管理系统等。 本文着重对 PLC 控制系统部分的输煤皮带驱动电机采用变频控制作一详细论述。 整个码头每条带式输送机根据设计与工艺要求配置为单点驱动或多点驱动，而每一驱动点设置单驱动装置或一主一从式多驱动装置。每套驱动装置包括以下主要内容：变频变压器（按照功率分布，可以多台合用一套变压器） 、690V 低压变频器、三相异步变频电机及相关选件等。
4、控制与通讯系统采用现场总线接口，各驱动点最终通过工业光纤连接成完整的驱动控制系统，实现输送系统控制运行要求。 1 系统方案 本工程约 50 条皮带机均为头部 l 台或 2 台驱动方式。变频驱动系统3对每一个驱动点的电机进行控制与保护。 2 变频驱动系统 对于带式输送机，单机功率为 132kW-630kW，采用 690V 低压变频驱动系统，通过系统参数设置，可指定某驱动装置为主驱动或从驱动方式。主要驱动由双绕组或三绕组变压器和变频器组成，变频器功率因数可以约等于 l。 3 变频变压器 变频器是通过变频变压器与电网连接。 对于每条皮带机，通过对所对应的变频变压器的矢量组的优化组合，使得变频器对电网
5、的谐波影响最小。变压器余量不小于 14。 驱动系统(变频器和电机)通过此变压器与电网隔离开。 4 变频器 约 50 台变频器的功率部分包括：6-12 脉冲配置的晶闸管整流器；具有电容器的直流环节；3 相逆变桥。 5 变频电机 普通定速电机在设计上只考虑了额定运行点的最佳效率及功率因素，而在全调速频域内无法达到令人满意的调速精度和综合品质因素。 长距离皮带输送机通常要求高性能的驱动以满足重载起动、动态张力控制、速度同步及功率平衡、低速验带等工况要求，因此要求变频调速装置的输出具有高精度及高动态特性，所以均广泛采用 IGBT 电压源型变频器及变频电机。 变频电机同时还考虑了高次谐波及 dvdt 对
6、绝缘的影响，以及高4低频轴电流的影响。 因此，无论从技术安全角度还是经济角度来看，在采用电压源变频器的同时，皮带机都相应采用变频电机是必要且最佳的选择。 三、皮带电机控制方案 在国内外，大型皮带输送机驱动电机使用变频器已经有许多成功案例，如德国褐煤 1998 年，智利铜矿 2004 年，天津港、秦皇岛港部分带式输送机 2006 年，上海罗泾矿石码头 2007 年和舟山老塘山五期工程2008 年皮带机全系列采用低压变频驱动控制。目前，越来越多的码头皮带驱动在采用变频控制系统。 本期堆场码头共配置 35 台带式输送机(50 台驱动电机，电机总容量约为 15 万 kW)，工艺流程复杂。多带式输送机、
7、多驱动电机、多电机容量种类、生产工况复杂、流程起停频繁、用电负荷大是该港区的特点。本工程中 35 台带式输送机(50 台驱动电机)全部采用 690V 低压变频调速装置驱动，变频器采用矢量控制。 1、变频驱动与直接驱动的技术优劣对比 传动输送皮带采用 10kV 交流电动机直接启动是中大功率电动机长距离配电和控制最传统的方式，采用单台高压开关柜控制单台高压电机与变频控制相比，高压配电控制方式设备构成简单，控制系统投资少，后期维修简便，系统维护人员技术要求低。 但是，结合本码头工艺特点，采用低压 690V 全变频驱动控制系统控5制皮带输送机与 10kV 高压交流电机直接启动方案相比，具有以下显著优点
8、： 1)变频驱动效率高。使用变频调速装置来取代机械的调速方式，特别是在变转矩应用场合，它的最大好处是节能。与高压直接驱动定速电机的过程相比，变速驱动系统仅从电网中吸取必要的及满足输出所需的功率。特别是在流量或输出较低的情况下，即部分负荷或低负荷的情况下，节能效率明显提高。 2)软启动能力延长电机寿命，避免电网冲击。高压直接启动定速电机，经验告诉我们会有一个高于额定电流 6 倍以上的浪涌启动电流。这个电流中的一部分在电机内部以有害的热能形式散发。另一方面，供电系统也会面临问题，特别是电网较弱的情况下，它会造成较大压降。根据不同的应用场合，变频器的控制功能可以将启动电流限制在电机的额定电流甚至额定
9、电流以下的任何电流值，这样便可以降低对电机及电网的压力。启动停机运行稳定受控，能有效抑制启动和停机过程对机械设备和电气设备的危害性冲击，降低设备使用维护成本。 3)变频驱动系统能自动控制电机启动过程电流，降低总配电难度。实时自动检测驱动电机的故障隐患，极大提高皮带输送机驱动系统的稳定性和可靠性。 4)皮带输送机的闭环力矩控制：对于恒转矩传动系统，采用 DTC 技术或每台电动机使用一个 1024 脉冲或更高分辨率的增量型脉冲编码器，结合闭环力矩控制技术，以获得最高的动态特性和速度精度。变频器采用先进的控制方式，能够精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩。 65)功率平衡和速度同步好，工作损耗低，低
10、速运行稳定，多机同步驱动容易实现。实际的功率平衡和速度同步是皮带输送机现场所需的关键技术，而机械和液压驱动系统往往难以实现。 6)功率因数高，无须配置大容量无功功率补偿设备，节省投资；本工程同时减少使用 17 套高压开关柜，降低了总配电成本。 7)取消机械附属设备-液力耦合器，降低机械设备成本，并可有效避免机械共振。 8)设备容量配置满足重载启动要求，设备使用可靠性高，维护方便，寿命长。 9)系统设备主要由高压开关、变压器、低压变频器、低压交流变频电机构成，设备生产商多，可选用的品牌多，设备生产制造和售后服务标准化程度高。 10)满足特殊工艺的精细配送要求。 对混配煤，输送工艺特性是：多品种、
11、多批次、小运量，流量动态变化大。如果使用传统的 10kV 电机直接启动驱动控制方式，电气设备特性要求不允许 15min 内停机再启动，为此而产生的相关皮带输送工艺流程机械和电气设备的空载运行率很高，电能浪费很大。而变频控制系统所具有的灵活启动停机功能。为保证码头向轮船精细配送原料工艺流程、以及在装船输送工艺流程和卸车清仓流程的合理、稳定、顺行操作及极大降低生产用电损耗，降低生产运行成本成为可能。实现系统的高效启停控制和调速运行，具有机械和液压调速方式不可比拟的优势。通过精确的驱动数学模型实现优化的动态驱动过程，可调速度运行及验7带。由此可降低机械和皮带的投资，并有效延长转动部件如齿轮箱、托辊、
12、滚筒的使用寿命，保护输送系统的安全。 变频驱动系统应用于长距离输送机恒转矩负载的高性能调速驱动过程，在轻载及重载工况下，均能有效控制带式输送机柔性负载的软起动软停车动态过程，实现各带式机的驱动点之间的功率平衡和速度同步，并提高可调验带速度，由此降低快速起动快速停车过程对机械和电气系统的冲击，避免撒料与叠带，有效抑制带式输送机动态张力波可能对带式和机械设备造成的危害，延长输送机使用寿命，增加输送机系统的安全性和可靠性，并且在降低负载时实现节能。 11)易与 PLC 控制设备相结合 (1)根据现场控制系统的实际情况，变频器与控制系统的通讯可通过变频器配置的端口、设备总线及通讯口来实现。 (2)多机
13、驱动变频器自成系统，在调试过程中，变频器将被设置成主从控制，以便实现变频器之间的转速同步、负荷分配以及变频器的重载启动。控制系统只需与主驱动装置相连。 (3)为了优化皮带机的启动和停车特性，驱动系统采用优化的 S 形曲线启动，使皮带机启动更平稳；同时，皮带机停车过程将通过变频器可控停车。 2、变频控制系统工程造价 方案一：所有固定皮带电机均采用 690V 变频控制；方案二：所有固定皮带电机均采用中压 6KV 电机，由变电所中压真空柜直接启动控制（132KW 电机采用 380V 低压直接启动）或者软启动控制。 8方案一比方案二增加变频控制器和谐波处理装置，但取消了大容量的无功功率补偿设备、节省了
14、电缆、取消了电机软启动柜、以及取消机械附属设备-液力耦合器等的投资，合计需增加投资 255 万。但是每年运行节约的电费约为 60 万，四年多即可收回增加的投资。 3、运用变频器相关问题的处理 1) 谐波污染 由于带式输送机全部采用变频驱动，变频器中使用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件，变频驱动会产生谐波污染，其产生的谐波对电网将产生干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量。高次谐波还会引起电动机定子铜耗、铁耗增加。故在控制和配电设计中将采取相应必要谐波处理措施。 变频器的输出部分一般采用的是 IGBT 等开关器件，在输出能量的同时将在输出线上产生较强的辐射干扰，影响周边电器的正常工作。
15、从国外有关谐波的标准来看，单次电压的畸变率在 36，总电压的畸变率在 58的范围内才可以接受的。 根据预测分析和调研，针对该码头具体情况，在整个港区供电系统的设计中对谐波处理和功率因数补偿方面将采取以下处理措施： (1)分析谐波源主要产生的根源和存在量，在设计选型时给予尽量消除。 根据预测分析，谐波产生的最大根源是 690V 变频驱动的带式输送机，根据其他工程的实际效果和模拟仿真，生成初步的量化预测。在设计中将对带式输送机的变、配电进行相应处理，利用变压器结构抵消部分谐9波。 (2)皮带电动机驱动变频器自带补偿措施，功率因数大于 0.9。其硬件上有配置：快速熔断器、交流进线电抗器、12 脉冲整
16、流器、输出侧内置 dudt 滤波器、EMC 滤波器和共模滤波器等保护和谐波滤除部件。 (3)考虑到理论测算与实际发生可能会产生一定的误差，在变电所或和电气室低压侧预留滤波器柜位置，根据系统运行中的实际测量值配置相应的谐波处理装置。 (4)港区总体设计中还将考虑在分变电所进行中压谐波处理装置。补偿方案是采取目前具有技术优势的 APF 有源滤波装置，实时处理谐波，装置产生反向的电流，抵消谐波。在总变电所设 SVG 动态无功补偿一体装置，控制过程无投切冲击、不产生涌流、动态抑制系统谐波，补偿后功率因数一直接近于 1。 2)变频器的散热问题 变频器的故障率随温度的升高而高，成指数上升，使用寿命随温度升
17、高而成指数下降，环境温度升高 10，变频器使用寿命减半。正确地使用变频器，必须认真地考虑散热问题。 该码头工程，采用智能节能型变频室温度控制技术，开发一套变频室远程温度实时动态监控系统，在变频室内安装了温感设备，并在空调机控制板上加装远程控制装置，利用通讯手段将变频室内的温度实时传递到中控，在控制室上位机的画面上动态反映。一旦温度超出 28，上位机画面报警，空调系统自动起动，或者中控人员直接远程启动空调设备。 10四. 结论 鉴于变频调速在控制技术方面的独特优势，特别是节能、调速、启动电流小、稳压等方面的特点，本工程选用低压 690V 变频调速技术。该方案尽管初期投资较大，但生产运营成本会大幅降低，设备使用寿命也将大大提高。
