变频器应用在堆取料机类负载

堆取料机是煤场、码头、矿山物料堆取的主要设备，主要功能是堆料和取料。

实现自动堆料和半自动取料，提高了设备可靠性，设备运行平稳，无冲击和摇动现象，取料过程按 1/cosφ规律回转调速，提高了斗轮回转取料效率和皮带运煤的均匀度，很受工人欢迎。

变频器以其结构简单、造价低廉、便于维修、调速范围宽、传动效率高、节电显著等优势越来越多地被应用于调速系统。

应用案例一：

珞璜发电厂一期工程2×700 MW燃煤机组，输煤系统是按最终装机容量设计的，全部输煤设备均为进口设备。煤场的2台斗轮堆取料机是一种集取煤和堆煤于一体的高效率设备，由连续运转的轮斗、悬臂回转、悬臂俯仰和大车行走等机构组成。其中悬臂回转机构采用了动态转矩矢量控制变频技术，使斗轮堆取料机在堆、取煤作业时，在最短时间内实现悬臂回转机构的驱动控制，平稳地进行加、减速。

1斗轮堆取料机变频技术
　　变频技术是先进的电力技术和计算机技术合二为一的高效节能技术。作为煤场堆、取料移动设备，斗轮堆取料机的悬臂回转机构倘若采用传统的全压工频驱动装置，则悬臂回转机构不能根据负荷侧堆煤量或取煤量来调整回转转速，势必造成电能的巨大浪费和设备寿命的降低，以及设备维修费用的增加。当用1台变频器拖动2台回转电动机及机械部件完成斗轮堆取料机悬臂±110°范围内的回转功能时，以上问题均可迎刃而解。
1.1回转变频器的组成
　　斗轮堆取料机悬臂回转机构所采用的变频器是低压交－直－交电压源型变频器，由主回路和控制回路两部分组成，如图1所示。在主回路中，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出信号进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。控制回路完成对主回路的控制，以及对进行转矩计算的CPU和一些相应的电压、电流检测回路的控制。变频器的控制方式为PWM正弦曲线控制方式，即动态转矩矢量控制方式，由控制系统高速计算电动机驱动负载所需功率、最佳控制电压和电流矢量，最大限度地发挥电动机输出转矩的作用。

1.2变频技术在斗轮堆取料机中的使用特点

　　回转变频器有全自动、手动和定速运行三种控制方式。在斗轮堆取料机司机室内可监视回转转速及实现远方自动或手动操作，也可直接通过变频器键盘面板或外部通信接口进行点动运行操作。变频器具有低速软启动功能，可平滑地大范围调节回转电动机转速，还可根据煤量的多少将悬臂回转转矩调节至最佳。变频器与斗轮堆取料机PLC进行速度控制信号交流的基本回路为0～10Ｖ直流模拟回路，当速度控制信号输入变频器时，将改变变频器的输出频率，即改变回转电动机的转速。变频器的U/f控制技术、可根据煤量调节输出 电压的节能操作和回转转速随悬臂转矩平滑补偿控制功能，均能体现斗轮堆取料机回转机构变频技术稳定、可靠的节能性。斗轮堆取料机其它电气设备的工频启动对电网的冲击是不可避免的，而回转变频器的瞬时低电压耐受功能，使斗轮堆取料机在电压由额定电压降至310 V时仍能继续运行，降低至310 V以下时能继续运行15 ms，尽可能地确保悬臂回转机构均匀、连续地进行堆、取料作业。回转变频器的过载能力极强，当过载电流达到150% 额定输出电流时，延时1 min动作；达到180%额定输出电流时，延时0.5 s动作。在堆、取煤过载或煤堆塌方等情况下，可有效地对回转电动机及机械设备进行过载保护，另外对回转电动机还有过电流、接地、保险熔断、过电压和过热保护等作用。
1.3变频器与电机热继电器的控制技术
　　通用的电气控制回路中热继电器是用来对电动机进行过载保护的，而变频器内已经设置了电子热保护装置，那么电气控制回路中是否还有必要设置热继电器呢？回答是肯定的。因为2台回转电动机只有1台变频器驱动，而变频器的容量要比单台电动机的容量大得多，不可能对每台电动机进行过载保护，所以，每台电动机还需设置热继电器进行过载保护。由于在变频器的输出电流中有高次谐波存在，有可能引起热继电器误动作，因此，在变频调速系统中，一般应将热继电器的动作电流调大10%左右。依据公式设定热继电器的动作电流值：
回转变频器额定输出电流为112 A，根据计算，回转变频器的运行范围为22.4～134. 4 A。当MLA6187型回转电动机的电源为380 V，50 Hz时，电动机的额定电流为31 A。通常电动机的电流值在变频器的运行范围内，所以电动机的热偶动作值可设置为31 A。

2变频器与电抗器的配合使用
　　通常与变频器配套使用的电抗器有进线电抗器、直流电抗器和输出交流电抗器3种。斗轮机悬臂回转机构的变频器仅使用了直流电抗器和输出电抗器。
2.1变频器未安装进线电抗器的原因
　　由于电源容量为500kVA，且变频器的安装位置离大容量电源10m以外，可不安装进线电抗器。

2.2变频器与直流电抗器的配合使用
　　因变频器不能直接连接在大于10倍变频器容量的交流大容量电源上，所以要安装直流电抗器。

　　另外，斗轮堆取料机回转变频器的输入电源允许电压在（10%～－15%）额定电压的范围内波动，三相电源相间不平衡率不大于3%，频率在（5%～－5%）额定频率的范围内适量波动。电压不平衡率K的计算公式为
　　根据公司计算可得，三相电源电压不平衡率大于3%，所以直流电抗器接在变频器主回路的整流环节与逆变环节之间是必要的，变频器与直流电抗器的有效配合可将功率因数提高到0.94，直流电抗器的限流作用能使变频器运行更稳定。实践证明，有直流电抗器连接的回转变频器，其主回路的输入电流由173 A降至99 A。
2.3变频器与输出交流电抗器的配合使用
　　变频器输出端和回转电动机之间安装输出交流电抗器也是十分必要的。输出交流电抗器的主要作用是补偿长线分布电容的影响，抑制变频器输出信号的谐波，降低变频器噪声。另外回转变频器采用低噪声控制电源系统，也会减少对周围电气控制设备的干扰。

3回转变频器的制动情况
　　斗轮堆取料机悬臂回转机构的制动方式有电动抱闸制动和能耗制动两种工作方式。变频调速系统一般有电动和发电两种运行状态，具体到煤场，斗轮堆取料机在堆、取料作业时，尤其是取料作业时，悬臂回转角度有一定的区域限制，斗轮堆取料机悬臂回转为往复运动，每次循环为向左加速→向左减速→停止→向右加速→向右减速→停止。如果此时电动机处于加速状态，回转电动机的作用力大于悬臂的阻力，电动机正常工作；当回转电动机转到额定转速后，由停止→向左加速（或停止→向右加速）过渡时，由于悬臂回转机构受原煤阻力和悬臂重力的作用，会对回转电动机产生一个反向加速度力，这就要求回转电动机通过变频调速、减小频率来实现减速。在频率减小的瞬间，电动机的同步转速骤然下降，由于机械惯性，电动机的转子转速未变，当同步转速小于转子转速时，转子电流相位改变，电动机从电动状态变为发电状态，电动机轴上的转矩也相应变为制动转矩，电动机已处于再生制动状态，再生的电能经整流反馈到直流回路后，无法再通过整流桥回馈到电网，对于采用电压源的回转变频器，其中的大电容可吸收消耗电能，但由于大电容的电荷堆积效应，又使电流、电压升高，过高的直流电压势必会导致各种电气元件受损。处理这种再生电能的直接方法是能耗制动，回转变频器采用添加直流制动（包括制动单元和制动电阻两部分）的方法，即直接在回转变频器直流侧加装电阻单元，将再生电能消耗在功率电阻上，从而实现制动，并将再生电能转化为热能。直流制动时间不可设置太长，动作不可太频繁，否则将导致与回转变频器 连接的电抗器、电动机或其它输出回路电气元件过热而烧毁。悬臂回转机构中制动电阻采用 的是波纹电阻，其表面为立体波纹，并选用高阻无机涂层，有利于电阻散热和减少寄生电感 量，并且电阻丝不易老化，达到延长制动电阻使用寿命的目的。回转变频器与制动单元之间 的安装距离应不大于2m，制动单元与制动电阻之间的安装距离应不大于10m。 

       电机变频调速技术在珠海发电厂煤场斗轮堆取料机悬臂回转机构上的应用，实践证明是稳定、可靠的节能技术，它使设备维护工作量减少，延长设备的使用寿命，确保输煤系统安全、稳定地运行，取得了一定的经济效益和社会效益。

应用案例二：

1.变频调速的基本原理

　　变频调速是一种通过改变加到交流电动机定子绕组上的电源频率来改变电动机转速的调速方法。现行的交流电动机变频调速装置有很多种，但是大都采用正弦波脉宽调制（SPWM）技术。

　　SPWM变频器是一个交？-直-交变频装置，整流器是不可控的，它的输出电压经电容滤波（附加小电感限流）后形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器上。控制逆变器中的功率开关器件导通或断开，其输出端即获得一系列宽度不等的矩形脉冲波形，而决定开关器件动作顺序和时间分配规律的控制方法即称脉宽调制方法。

2.斗轮机大车行走无级调速变频控制系统

　　斗轮堆取料机需要沿着钢制轨道前后移动，钢轨全长500多米，为了尽快到达堆取料作业点，要求大车行走时可以高速调车，但是在堆取料作业时，又需要低速行走，保证设备安全，防止碰撞料堆，这种工况就对大车行走的调速功能提出了要求。

　　大车行走机构由四台交流电动机同时驱动，电动机有正转和反转两个运动方向，对应斗轮机大车行走机构有前进和后退的功能。由于斗轮机整机重量很大（五百多吨），行走时有很大的惯性，以前直接采用工频速度运行，由于启动和停止没有软启动功能，斗轮机整机震动大，司机室晃动严重，司机操作稳定性差。使用变频器控制后，启动和停止以及带载运行时，均能够保证大车行走机构正常运行，整机行走时平稳无冲击。设计时，一般选用一台变频器同时控制四台大车行走电动机。实际运行中，斗轮机司机通过司机室操作台上的操作手柄，带动操作手柄里面安装的一只电位器，可以控制变频器的频率在最低频率到最高频率之间无级变化，进而控制大车行走电动机的转速无级变化，实现大车行走正反向无级调速控制。大车行走控制的电气原理图如图2所示。

　　大车行走控制的操作手柄选用富达公司生产的WSB-III型主令控制器，该元件有三个操作档位，对应三个开关量信号，即两个相反方向的运行档位和一个停止档位，这三个开关量信号输入给可编程序控制器。斗轮机司机操作大车行走时，PLC接收到手柄信号后，通过开关量输出模块控制两只中间继电器K1和K2动作，并通过中间继电器K1和K2触点的接通和断开，使变频器FWD（或者REV）端子与CM端子接通或者断开，变频器接收到这些输入指令后，就控制大车行走按照前进和后退两个方向运动或者停止运动。

　　大车行走操作手柄上面的电位器在物理结构上有四个接线抽头，接线时，将其中的电阻两个终端接线抽头短接后接变频器的13端子（DC10V），中间抽头接变频器的11端子（0V），滑动抽头接变频器的12端子，接线如图1虚线框中所示。大车行走操作手柄的电位器控制变频器速度的调速原理为：当滑动端从停止位向左或向右滑动时，输入给变频器的模拟电压信号逐渐减小或增大，使电动机速度逐渐变化。即：

　　图3所示为手柄由停止位向左或右移动时电位器输入给变频器的模拟电压原理图。由上图可得出公式：

　　10 /（r1+r2）= （ 10 - Vx ）/r2          （2）

　　由公式（2）可以计算出电位器滑动端在不同位置输入给变频器的模拟电压值为：

　　Vx = 10 x （ 1- r2 /（r1+r2） ）          （3）

　　随着手柄的运动，r2的阻值平滑变化，使输入给变频器的模拟电压值VX作相应变化，达到无级调速的目的。

　　大车行走操作手柄在系统调试时，需要调节电位器的轴，使操作手柄处于停止档位时，电位器的滑动端抽头与0V中间抽头正好重合，方法是用万用表测量滑动端抽头与0V中间抽头的阻值，阻值为零就表示电位器的滑动端抽头与0V中间抽头正好重合了，此时可以将电位器的轴用顶丝固定好。这样调试完成后，能使操作手柄在停止档时输入到变频器的模拟量电压数值为0V，而操作手柄在前进或后退操作时，能够保证模拟量电压数值从0V~10V无级变化。

　　大车行走系统在调试时，要将变频器的参数F00设定为1，即变频器采用模拟电压输入方式实现频率的控制。还需要将参数F01设定为1，即操作方法是用外部信号FWD端子、REV端子作为运行操作命令，而不是由键盘面板来实现。

3.变频调速系统的现场调试

　　斗轮堆取料机变频调速系统在现场调试时，首先要求调试人员必须仔细阅读变频器生产厂家提供的变频器使用说明书。

　　首先，要检查变频器接线是否正确。接线正确后才可以通电调试。在通电或启动与停止变频器之前应安装并关上所有机盖。

　　其次，变频器上电以前，要检测线电压，检查并确认线电压与变频器铭牌上所示的电源电压范围适应，并且不存在缺相等现象，确保设备安全。斗轮机的变频器铭牌电源电压是交流380伏，50赫兹。

　　变频器上电后，如果系统正常就显示变频器出厂设定的运行监视画面，连续按 》键可以显示输出频率、输出电流、输出电压、电动机转速、线速度、负载速度、转矩等数据。

　　上电后，用户还需要根据自己使用的电动机、控制系统性能来对变频器参数进行配置和优化。

　　操作面板在显示运行监视画面的时候按一下PRG键，可以进入参数选择画面的菜单。进入菜单后，再用 ∧键 和 ∨ 键移动光标，进行选择参数的设定工作。

　　在变频器操作面板显示运行监视画面时按FUNC/DATA键，可以进入菜单画面，在菜单画面可选择数据确认、I/O检查、跳闸确认和跳闸原因等四个项目。其中，在数据确认项目中，显示各功能码和其数据设定值，移动光标到数据的功能码，按FUNC/DATA键，也能够修改数据值。

　　富士变频器通过参数F78可以选择变频器显示信息的语言种类，供选择的语言有日文、英文和中文三种，其中：0为英文，1为中文，2为日文。

　　富士变频器有数据保护功能供选择，通过参数F95来完成设定。将参数F95设为0，可以修改功能数据；将参数F95设为1，不可以修改功能数据。

　　要使电动机正常运行还需设定加速时间、减速时间、最高频率、最低频率、电动机声音（载频）等参数。斗轮机的上述参数可设定为：加速时间设为10s、减速时间设为5s、最高频率设为50Hz、最低频率设为0Hz、电动机声音（载频）设为5。

　　如果在调试中，变频器频繁发出报警信号，则应该查出原因后，再继续进行调试和运行工作。还要注意变频器在运行时，对附近电子线路、信号等的干扰情况，如果存在干扰，应该采取相应措施予以排除。

所述的变频器控制系统已经在斗轮机上应用了。实际运行表明，大车行走无级调速系统解决了过去分高低速两档操作，在速度转换时设备振动量大的问题。通过使用变频器控制，节约了能源，增加了系统的可靠性，方便运行和检修，有利于斗轮机的长期、稳定运行。