李淑清

(中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司， 河北 秦皇島 066004)

S120變頻調(diào)速裝置在下行膠帶運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

李淑清

(中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司， 河北 秦皇島 066004)

新疆阿克薩依鐵礦下行膠帶運輸系統(tǒng)用變頻器驅(qū)動下行膠帶輸送機帶發(fā)電機運送礦石，將制動過程中產(chǎn)生的再生能量回饋到電網(wǎng)，實現(xiàn)能量的雙向流動，可回收大量的電能，降低生產(chǎn)成本。

下行膠帶輸送機; 四象限變頻； 電能回饋

1 工程概況

阿克薩依鐵礦區(qū)位于新疆阿吾拉勒山分水嶺南側(cè)，區(qū)內(nèi)山巒綿延疊壘，山勢陡峭，海拔2 550～3 330 m，相對高差780 m，總體屬中高山區(qū)。礦山采用露天開采方式，露天開采最高標(biāo)高為3 348 m，封閉圈標(biāo)高2 844 m，露天底標(biāo)高為2 784 m。設(shè)計采用采場內(nèi)汽車—溜井—井下破碎—膠帶斜井聯(lián)合開拓運輸方案，礦石通過長距離膠帶運送至選礦廠旁儲礦堆場，標(biāo)高1 576 m；長距離膠帶運輸系統(tǒng)采用地下斜井與地上通廊相結(jié)合的布置方案，地下斜井可避開地形條件復(fù)雜地區(qū)，進入平緩地區(qū)后轉(zhuǎn)入地上膠帶輸送。礦石輸送系統(tǒng)膠帶機角度為-8°～-12°，總水平運輸距離6 067 m，總高差824 m ，設(shè)3條膠帶機。礦石經(jīng)井下破碎硐室破碎后，經(jīng)過1號斜坡道內(nèi)的膠帶機到1號轉(zhuǎn)運站，該膠帶機角度-8°，水平運輸距離2 180 m,高差307 m，驅(qū)動電機功率690 V 1 000 kW；再經(jīng)過2號斜坡道的膠帶機運至轉(zhuǎn)運硐室，該膠帶機角度-8°，水平運輸距離1 437 m, 高差187 m，驅(qū)動電機功率690 V 630 kW；然后由3號膠帶機(地表通廊)運至選礦廠礦石堆場，該膠帶機中間經(jīng)過半徑1 000 m的平面轉(zhuǎn)彎，高差330 m，水平運輸距離2 450 m，驅(qū)動電機功率690 V 630 kW。膠帶機寬度為1.2 m。帶式輸送機全載向下自動運行,膠帶機的驅(qū)動裝置和制動裝置均設(shè)在輸送機尾部，輸送帶拉緊裝置設(shè)在靠近輸送機頭部。

2 膠帶運輸系統(tǒng)運行控制

長距離運輸系統(tǒng)膠帶屬于大慣性負載，啟動力矩大。為了保證帶式輸送機安全、平穩(wěn)運行，設(shè)計采用SⅠNAMⅠCS S120變頻調(diào)速裝置，該裝置可按預(yù)設(shè)曲線準(zhǔn)確實現(xiàn)可控軟啟動和軟停車，以實現(xiàn)帶式輸送機的運轉(zhuǎn)安全平穩(wěn)，減少對設(shè)備和輸送帶的沖擊；對各瞬態(tài)速度、力矩的控制反應(yīng)快速且穩(wěn)定，最大限度地降低了膠帶的張力，從而為安裝、調(diào)試、檢修、慢速驗帶提供了條件。

2.1 S120變頻器工作原理

SⅠNAMⅠCS S120變頻器采用交—直—交電壓源型主電路結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)通過以鍵盤智能控制芯片HD7279A為核心的鍵盤輸入系統(tǒng)運行所需參數(shù)(頻率也可以通過模擬給定)，再通過DSP實時計算出脈寬，最終將PWM信號通過外圍驅(qū)動電路，轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動功率模塊IPM的信號控制逆變器的輸出。同時DSP通過采樣電路對系統(tǒng)實時采樣，一方面監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)供LED顯示，另一方面還實時檢測系統(tǒng)故障，以便能及時地加以保護并診斷故障原因?？刂菩酒且訲I公司的TMS320LF2407A DSP為控制核心，硬件電路分為主電路、控制電路、采樣檢測及保護電路部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

TMS320LF2407A采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，25 ns指令周期，速度為40 MIPS，低電壓3.3 V設(shè)計；總尋址范圍192 K字，其中包括64 K程序空間,64 K數(shù)據(jù)空間,64K I/O空間；片內(nèi)程序空間集成32 K字Flash；數(shù)據(jù)空間集成2.5 K字RAM，包括544字DARAM，2 K字SARAM；兩個事件管理模塊EVA、EVB，分別提供兩個16 bit全局計數(shù)器，8個脈沖寬度可調(diào)調(diào)制通道PWM，三個外部事件的定時采樣捕獲單元；同步的16通道高性能10 bit ADC，轉(zhuǎn)換速率為500 ns；串行異步通信接口(SCI)、串行同步外設(shè)接口(SPI)、CAN總線2.0接口。由于TMS320LF2407A集成了多種數(shù)據(jù)傳輸接口，并且片內(nèi)集成ADC模塊，滿足長距離膠帶輸送機下列運行控制原則：

(1)帶式輸送機啟動前，輸送系統(tǒng)在帶式輸送機沿線自動發(fā)出啟動預(yù)告信號。

(2)帶式輸送機啟動、正常停機，緊急停機分別設(shè)置不同的加、減速度，使整個輸送系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動和軟制動。

(3)系統(tǒng)的各種保護開關(guān)具有位置識別功能，可以迅速準(zhǔn)確定位故障地點和故障類型。

(4)具有集中遙控、就地自動、就地手動等多種控制方式。

(5)具有低速運行方式驗帶功能，驗帶速度可設(shè)定。

(6) 輸送系統(tǒng)啟動，設(shè)備從末端膠帶機開始按所選流程逆料流方向逐一順序啟動，停機時從礦源設(shè)備開始順料流方向逐一按預(yù)定延時順序停止。

(7)在程序自動和聯(lián)鎖手動方式下，當(dāng)任一運行的設(shè)備出現(xiàn)故障或事故時，如現(xiàn)場急停(拉繩)、保護跳閘、持續(xù)一定時間的跑偏、打滑或堵料時，立即停止事故設(shè)備的運行，同時聯(lián)鎖逆料流方向的所有設(shè)備。當(dāng)按下操作臺上“緊急停機”按鈕時，所有運行設(shè)備立即停止運行。

2.2 膠帶運輸系統(tǒng)保護設(shè)施

為實現(xiàn)膠帶運輸系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置以下保護設(shè)施：

(1)膠帶打滑檢測、保護。

(2)機頭卸料、轉(zhuǎn)載處堵料保護。

(3)膠帶縱向撕裂保護。

(4)膠帶沿線二級跑偏保護(能識別沿線跑偏的具體位置，分報警和停機兩級保護)。

(5)膠帶沿線拉繩急停閉鎖保護(能識別沿線急停閉鎖的具體位置)。

(6)電機三相繞組溫度、軸承檢測及溫度保護。

(7)驅(qū)動滾筒兩端軸承溫度監(jiān)測保護。

3 能量回饋

下行膠帶在啟動、無負荷和輸送負荷較少時，變頻器從供電回路取電后給電機供電，此時電機做正功與一般的變頻調(diào)速系統(tǒng)完全相同；當(dāng)負荷達到一定量時，電機做負功率，處于發(fā)電狀態(tài)。設(shè)計采用四象限運行的有源整流/回饋柜(ALM+AIM)+逆變柜。在速度控制及需要減速制動時，整流/回饋柜可實時實現(xiàn)再生回饋制動功能，在正常工作狀態(tài)時，整流通過二極管來實現(xiàn)，再生回饋時，通過ⅠGBT實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)換流，并提供100%連續(xù)的再生能量回饋電網(wǎng)。

3.1 四象限運行的有源整流/回饋柜

有源型電源是可控整流/回饋裝置，用于高動態(tài)性和高穩(wěn)定性要求的驅(qū)動系統(tǒng)，其輸出直流電壓的平均值及極性可以通過控制元件的導(dǎo)通狀況而得到調(diào)節(jié)，在這種電路中，功率既可以由電源向負載傳送，也可以由負載反饋給電源。它的四象限運行，可向電網(wǎng)回饋能量；直流母線電壓恒定，適合于高動態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用；運行可靠性高，有一定耐受電網(wǎng)電壓跌落能力，變頻器的主回路如圖2所示。

圖2 變頻器主回路圖

3.2 回饋能量計算

1號膠帶：

膠帶機輸送能力為1 000 t/h，膠帶負力運行時物料向下運動位能變化產(chǎn)生的勢能為(忽略摩擦阻力)：

W=mgh=1 000×9.8×307=3 008 600 kJ

假設(shè)該勢能經(jīng)過發(fā)電機全部轉(zhuǎn)換為電能，電力(當(dāng)量)t=3 600 kJ/kW·h，則適配的電機功率為：

P=W/t=3 008 600/3 600=836 kW

因此，1號膠帶機發(fā)電功率為836 kW。

同理，計算2號膠帶機發(fā)電功率為966 kW，3號膠帶機發(fā)電功率為925 kW。

4 通訊網(wǎng)絡(luò)

SⅠNAMⅠCS S120變頻調(diào)速裝置采用全新DRIVE-CLIQ通訊連接，DRIVE-CLIQ是連接SⅠNAMⅠCS S120系統(tǒng)不同組件的通訊系統(tǒng)。它的特點是：(1)可通過控制單元自動識別組件；(2)所有組件上接口統(tǒng)一；(3)可對組件進行診斷和維修。

變頻調(diào)速裝置與外部通訊采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線模式，在該模式下，把變頻調(diào)速裝置作為一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與上位機DCS(PLC)進行控制字與狀態(tài)字的交換，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。還可以采用高速工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET與普通的工業(yè)以態(tài)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)TCP IP實現(xiàn)無縫連接，速率可達全雙工100 Mbps。

5 應(yīng)用實踐

阿克薩依鐵礦三條礦石輸送膠帶機均采用SⅠNAMⅠCS S120變頻調(diào)速裝置運行，以1號膠帶為例，該膠帶機角度-8°，水平運距2 180 m,高差307 m，驅(qū)動電機功率690 V 1 000 kW。帶式輸送機全載向下自動運行,膠帶機的驅(qū)動裝置和制動裝置均設(shè)在輸送機尾部，輸送帶拉緊裝置設(shè)在靠近輸送機頭部。

5.1 啟動過程

由于膠帶機依靠重力自行運行屬于大慣性負載，啟動力矩大。膠帶機啟動時完全在S120變頻調(diào)速器控制的頻率及速度下運行，同時，由于變頻器采用了矢量控制技術(shù)，故具有較大的啟動力矩(0.5 Hz時可達到2倍的額定力矩)，滿足膠帶機重載啟動要求。

5.2 運行過程

膠帶機在運行過程中，隨時都可能產(chǎn)生短時或長時負力，S120變頻調(diào)速裝置隨時監(jiān)測負力的產(chǎn)生，將負力回饋電網(wǎng)，同時實現(xiàn)系統(tǒng)運行中正力到負力及負力到正力的平穩(wěn)控制，通過控制電動機的運行頻率，防止膠帶機超速，使系統(tǒng)能夠安全可靠地運行。

6 應(yīng)用效果

阿克薩依鐵礦礦石輸送系統(tǒng)膠帶機采用SⅠNAMⅠCS S120變頻調(diào)速裝置運行，應(yīng)用四象限運行能量回饋功能，系統(tǒng)正常運行時三臺電機均處于發(fā)電狀態(tài)，每天24 h連續(xù)不斷以2 727 kW的功率發(fā)電，按每年運行時間9個月計算，年總發(fā)電量為1 814萬kW·h，按每千瓦時電0.5元計算，每年可節(jié)約電費925萬元。解決了膠帶機負重下行過程中的速度失控問題，實現(xiàn)膠帶機運行全過程啟動、制動和速度控制，設(shè)備維護量小，可與工廠總控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一管理。其具有物料在運輸過程中相對穩(wěn)定，揚塵點少，對環(huán)境污染小等優(yōu)點，可在類似工程中推廣使用。

Application of S120 Frequency Control Devices in Downstream Belt Transport System

LI Shu-qing

Xinjiang Aqsa iron uses the downstream belt conveyor with converter driven generator to transport iron ore, which can feed the regenerative energy produced during braking back to the power grid. With a two-way energy flow, a lot of energy in the system can be recovered. Therefore it is of great significance to reduce production costs and enhance the enterprises competitiveness.

downstream belt conveyor; four quadrant converter; power feedback

2014-04-25

李淑清(1961—)，女，遼寧朝陽人，大學(xué)本科，高級工程師，主要從事電氣工程設(shè)計工作。

TM921.51

B

1008-5122(2014)04-0047-04