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多电机拖动皮带输送机恒压频比控制变频器

2017-05-31 17:47:50
多电机拖动皮带输送机恒压频比控制变频器
Multi-Motor Driving Belt Conveyor Inverter  Base on VVVF Control
新风光电子科技股份有限公司   刘明光  魏学森 郭少明  
Liu Mingguang  Wei Xuesen  Guo Shaoming
  在变频器驱动多机拖动皮带机系统中,一个重要的问题是如何解决系统中各个电动机的功率输出平衡。介绍了一种基于恒压频比控制型的多机拖动皮带机变频器。变频器采用主从控制模式,通过对各自有功电流做闭环控制来实现对其输出频率的调整。变频器的输出电压按照恒压频比控制方式,保证了电机气隙磁通的恒定,最终能够达到各个电动机输出功率一致的目的。通过现场的成功应用,证明了恒压频比控制型多机拖动皮带机变频器的有效性和实用性。
关键词:多机拖动皮带机 恒压频比 功率平衡 变频器
Abstract: In the application of the Inverter driving Multi-Motor Belt Conveyor system, an important problem is how to ensure the output of the motors balance. A Multi-Motor Driving Belt Conveyor Inverter based on VVVF control was proposed. Master-slave control mode is used in the system. The active current is controled by closed-loop mothod to realize the adjustment of their respective output frequency. The output voltage of the Inverter is according to VF control, it ensures the motor’s air gap flux constant, and it ensures that the output of the motors are basically consistent. The feasibility and practicability of this Inverter is verified by being successful applied in the Multi-Motor Driving Belt Conveyor system.
Key words: Multi-Motor Driving Belt Conveyor;Variable Voltage and Variable Frequency(VVVF); Power Balance; Inverter
1引言
        现阶段,在采用变频器驱动多电机拖动的皮带输送机系统中,多用一台功率较大的变频器来同时驱动多台电机。虽然变频器输出的频率对于每台电机是相同的,但是由于滚筒尺寸、皮带包角等因数的影响,导致各台电机的实际输出扭矩不尽相同,输出功率亦不尽相同。降低了电机、皮带的使用寿命,这也是变频器在多机拖动皮带输送机系统中应用较少的原因所在。
        在多电机拖动皮带输送机启动、运行和停机过程中,若控制不当,会导致电机输出扭矩不一样,甚至导致有的电机处在电动状态,而有的电机处在发电状态。对于变频器来说,这种情况是致命的,变频器多用二极管做不控整流,这样当电机为发电状态时,会通过IGBT的续流二极管向电容充电,由于电容前端为二极管整流,能量流动不可逆,电容的电压会越来越高,直至单元过压保护。因此,选择适当的控制方式,使多电机拖动皮带输送机启动、运行和停机过程中各个电机输出扭矩一致是恒压频比控制型变频器驱动多机拖动皮带输送机的关键所在。
2 技术原理及实现方法
2.1 变频器基本原理及构成
        变频器是将电网电压提供的恒压恒频转换成电压和频率都可以通过控制改变的转换器,它可使电动机在变频电压的电源驱动下发挥更好的工作性能。简而言之,变频器输出的电压和频率分别可调。因此,变频器能够实现对交流异步电机的软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数等功能。
        本文中所涉及的异步电动机、变频器为高电压等级,常见为6kV、10kV,其中变频器为级联式电压源型高压变频器。下面对级联式高压变频器其结构、工作原理做说明。
 
图1  级联式高压变频器结构图
Fig.1  The structure of cascading high voltage inverter
如图1所示,级联式高压变频器主回路由输入移相变压器、功率单元、主控系统及电气控制构成。电网输入为三相10kV或6kV,经过移相变压器变为n个低压、独立、移相二次绕组电源,依次接入功率单元模块,经过整流、滤波和逆变输出单相交流电源。若输入为6kV,则每相由5个最大输出电压为759V的功率单元串联而成,使输出的相电压最大值得到3795V,线电压最大输出为6572V,当变频器带满载时,除掉变压器压降和功率单元压降,则输出大约为最大输出的92%。移相变压器电流多重化作用可以降低电网侧电流谐波。5个二次绕组通过不同的联结方式使它们之间的电流相位差为12°,在变压器一次绕组侧构成30脉波整流电路,理论上可以消除电网侧29次以下谐波。
 
 
 
图2  功率单元基本结构图
Fig.2  The basic structure of the power unit
       采用功率单元串联,不存在器件均压的问题。每个功率单元承受全部输出电流,但仅承受1/5的输出相电压和1/15的输出功率。输入功率因数可达到0.95以上。这种主电路拓扑结构虽然使器件数量增加,但是由于IGBT驱动功率很低,且不必采用均压电路、吸收电路和输出滤波器,可使变频器的效率高达96%以上。
        如图2所示,功率单元是由4个低压绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成的低压PWM电压型逆变器。可输出1,0,-1三种状态电平;每相5个功率单元叠加,由于采用多重化SVPWM技术,可以产生11种不同的电平等级,可得到具有11级阶梯电平的相电压波形和21级阶梯电平的线电压波形。使得输出波形接近正弦波,输出谐波小。
      6KV每相5个单元级联多电平变频器电压叠加原理(以其中一相如A相为例)如下图所示:
 
                图3  串联多电平变频器相电压波形图
                Fig.3  The phase voltage waveform of cascade multilevel inverter
       每相单元输出波形的电平数为11个阶梯波。
                
               图4  串联多电平变频器线电压波形图
               Fig.4  The line voltage waveform of cascade multilevel inverter
2.2 变频调速及恒压频比控制原理
       当在电动机的定子绕组上接入三相交流电时,在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场,它与转子绕组产生相对运动,使转子绕组产生感应电势,出现感应电流,此电流与旋转磁场相互作用,产生电磁转矩,使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速,用N表示: 
N = 60×f/p(r/min)                         (1) 
式中:f — 三相交流电源频率,一般为50Hz;
P — 磁极对数。当p=1时,N=3000r/min;p=2时,N=1500r/min。可见磁极对数p越多,同步转速N越慢。转子的实际转速n比磁场的同步转速N要慢一点,所以称为异步电机,这个差别用转差率s表示:    
    s = [(N-n)/N]×100%                       (2)
    当加上电源转子尚未转动瞬间,n=0,这时s=1;起动后的极端情况n=N,则s=0,即s在0~1之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=(1~6)%。 
综合式(1)和式(2)可以得出
n = 60×f×(1-s)/p                         (3)
由式(3)可以看出,对于异步电机,其磁极对数p已经确定,转差率s变化不大,则电机的转速n与电源频率f成正比,       因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速,进而达到异步电机调速的目的。
异步电机调速时,希望尽量保持主磁通不变,这是因为:1)磁通太弱,铁芯利用不充分,同样的转子电流下,电磁转矩小,电机负载能力下降;2)磁通太强,则铁芯处于过励磁状态,励磁电流过大,限制了定子电流的负载分量,电机负载能力下降。

                       图5 恒压频比变频调速系统原理图
                           Fig.5 The principle diagram of VVVF
\2.3 主从控制系统构成及控制原理

                  图6 多电机拖动皮带输送机控制系统原理图
                        Fig.6  The schematic diagram of Multi-Motor Belt Conveyor system
       如图6所示,给出了多电机拖动皮带输送机的恒压频比控制系统的原理图,图中所示的交流异步电动机用于驱使皮带输送机的运行,所有电动机的规格相同;每台交流异步电动机均由一台变频器对其进行驱动。所有变频器中有且只有一台为主机变频器,其余的为从机变频器,主机变频器用于实现与上位机的通信。变频器的电源输入端与电网相连接,电源输出端与相应电动机的定子输入端相连接;主机变频器与所有从机变频器之间通过光纤相通信,同时主从机变频器通过检测相应输出的有功电流大小来对运行频率做调整,以达到各个电机的功率平衡目的。
      图6中所示的变频器为电压源型级联式高压变频器。多电机拖动皮带输送机控制系统采用恒压频比控制方式,根据预先设定的VF曲线向多电机拖动皮带输送机系统中的电机的定子绕组施加电压,其特性可以等效于稳定的交流电压源,其稳定性最接近于工频电网,因而与其它控制方式和其它类型的变频器相比,具有更高的工作稳定性和可靠性。同时,由于多电机拖动皮带机系统中的各个电机的无功电流仅在电机的定子绕组和变频器之间流动,不进入工频电网,因此减小了对电网容量的要求,提高了系统的输入功率因数。
图6中主从变频器通过各自电流传感器采集三相输出电流Ia、Ib、Ic,然后将静止坐标系的电流Ia、Ib、Ic变换成α和β两相静止坐标系(Clarke变换),也叫3/2变换,再从两相静止坐标系变换成同步旋转磁场定向坐标系(Park变换),变换的同步角度为变频器输出的电压矢量角度,这样就得到了等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iq、Id。其中Id为异步电机的励磁电流,也就是我们所说的无功电流,一般为电机额定电流的30%,Iq为与转矩成正比的电枢电流,也就是我们所说的有功电流。通过控制有功电流大小来实现对变频器输出有功功率的控制,最终实现各个电动机输出扭矩一致、功率平衡。
2.4 具体实施方法
       恒压频比控制型多机拖动皮带机变频器采用主从控制方式,系统中的每台电机都分别有一台变频器驱动,驱动异步电动机的变频器有主从之分,在整个系统中有且只有一台变频器主机,其它的变频器都作为从机。针对多电机拖动皮带输送机变频启动、停机、运行调节和故障保护等关键性问题,提出了一种使用恒压频比控制型变频器驱动多电机拖动皮带输送机运行的方法,使恒压频比控制型变频器驱动多电机拖动皮带输送机变频调速运行成为可能。
本文所涉及的多电机拖动皮带输送机的恒压频比控制系统的控制方法,包括启动过程、运行过程和停机过程,如图7和图8所示,分别给出了本控制方法中主机变频器和从机变频器的程序流程图;
 
图7  主机变频器的程序流程图
Fig.7 The flow chart of the host inverter
 
 
图8 从机变频器的程序流程图
Fig.8 The flow chart of the slave inverter
 
主机变频器与各个从机变频器之间通过光纤连接,一方面可采用高传输速率来提高响应速度,另一方面实现了电气隔离有助于减小外部干扰。
当主机变频器接收到本地或远程开停机指令后,会根据主从机变频器的就绪、故障情况,将开停机命令通过光纤广播发给从机。即从机变频器开停机受主机变频器控制。
当主机执行开停机后,会根据预先设置好的频率上升时间和下降时间进行升频、降频。并将主机变频器运行频率作为基准频率广播发给各个从机变频器。从机变频器接收到主机变频器发来的基准频率后,将自身运行频率调整到基准频率。
同时,主机变频器会检测其输出有功电流并作为基准有功电流发给各个从机变频器。从机变频器接收到主机变频器发来的基准有功电流后并与自身检测到的有功电流进行比较,若自身有功电流小则进行升频,若自身有功电流大则进行降频。由于皮带机是恒转矩系统,所需总的转矩是一定的,若某台变频器输出频率降低,必然会导致输出有功电流减小,所驱动的电动机输出转矩减小,从而使其它电动机输出转矩增大。这好比是两匹马拉大车,跑的快的出力大,跑的慢的出力小,若想让两匹马出力相同,需将跑的快的马降低速度,跑的慢的马提高速度。从机变频器对其输出频率的调整最终的目标为其自身输出有功电机与主机变频器发来的基准有功电流相同,从而保证了各个电动机输出转矩相同,输出功率相同。
主机变频器在广播的同时,还接收从机变频器反馈信号,以判断从机变频器通信情况及实时运行情况。若发现主从机之间通信故障,或主从机变频器相关的电网故障,或主从机变频器内部的重故障,或电机故障,主机变频器立即封锁输出停机,并通过光纤通信通知从机变频器封锁输出停机。
该控制思想的特点是:能够使用恒压频比控制型变频器驱动多机拖动皮带输送机平稳地启动、停机、以较高的效率变频运行;在出现紧急情况下,可靠地保护电机、变频器。拓展了恒压频比控制型变频器的应用范围,增加了多机拖动皮带输送机变频器调速系统的选择范围,也降低了多机拖动皮带输送机变频改造的成本。由于本方法使用恒压频比开环控制方式,无需速度位置传感器,无需检测电机参数,因而提高了电机运行的可靠性和稳定性,降低了系统的故障率。
3 实验验证
上述的技术方案经过产品化后验证整个设计方案是可行的并在不同的现场设备上进行了技术测试和考核。
如在山西省某洗煤厂,双机拖动皮带输送机系统中,每台电机的额定功率为560kW,额定电压为10kV,每台电机均由单独的变频器驱动。控制方案采用本文所论述的方案,皮带机系统能够平稳地启动、停机、以较高的效率变频运行。其基本运行参数如下表所示,
 
 
 
 
 
 
 
 
       表1 主从变频器运行参数
       Tab.1  The operation parameters of master & slave inverter
\
 
从上表中可看出,两台变频器输出频率分别为48.83Hz、48.67Hz,输出电流分别为28.9A、29.3A,输出有功电流分别为26.1A、26.5A,运行频率与运行电流基本相同。这保证了电机的运行功率平衡,有助于皮带输送机系统的长时间运行。
4 结束语
本文详细地叙述了变频器构成及原理,变频器调速与恒压频比控制原理,以及如何采用恒压频比变频器驱动控制多机拖动皮带机系统,对恒压频比控制方式、主从控制方式原理做了详细的阐述,对多机拖动皮带输送机的启动、停机、稳定运行过程做了具体说明。这种控制方法的变频器在实际的多机拖动皮带输送机系统中通过了试验验证。
 
作者简介:
刘明光(1983-),男,硕士研究生,供职于新风光电子科技股份有限公司研发部,现从事于高压变频器方面的研究。
 
地址:山东省汶上经济开发区
邮编:272500
 
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