一、引言
      随着自动控制技术的飞速发展，四象限变频器广泛应用于起重、油田、煤矿等领域，为此公司为了满足煤矿特有的1140V电压等级而开发研制了1140V四象限防爆矢量变频器。四象限变频器在煤矿主要用于下行皮带运输机、提升机以及绞车的调速，除了具有卓越的调速性能之外，四象限变频器还有非常明显的节能效果，是煤炭企业技术改造升级和产品更新换代的理想调速装置。
      本文主要介绍英威腾CHA100-400G-12防爆型四象限变频器在神华集团宁夏宁鲁煤电公司任家庄煤矿下行皮带运输机上的成功应用。 

二、皮带运输系统简介
      1、带运输控制系统由防爆变频器、液压抱闸系统、集控系统、皮带机、减速箱等组成，整个系统的组成如下图所示：

2、系统负载特点 
      皮带机的工作原理是皮带机通过驱动轮毂，靠摩擦牵引皮带运动，皮带通过张力变形和摩擦力带动物体在支撑辊轮上运动。皮带是弹性储能 材料，在皮带机运行和停止时都储藏着大量的势能，这就决定了皮带机在启动和停车时应该采用软启动和软停车的方式。 
    下行皮带运输机运行机构属于恒转矩负载，当变频器在启动和加速运行时，电机输出转矩作用于皮带驱动轮毂上，电机处于电动状态，当皮带上煤后，煤的重量沿皮带传输方向上的分力也作用于皮带驱动轮毂上，并使驱动力矩逐渐增大，当此力矩大于电机的驱动力矩时，此时皮带驱动轮毂拖动电机转动，电机出于再生发电状态，需要将再生电能通过反馈装置反送给电网或者消耗在制动电阻上，以防止母线电压过冲，变频器过压。
      负载设备参数表




三、控制要求 
  1、皮带在启动和停车时要实现软启动、软停车。
   2、启动转矩要大，尤其是在重载情况下要平稳启动。
   3、变频器要与集控系统、液压抱闸系统配合好，实现远程控制和液压抱闸及时的开抱闸。 
四、系统的构成及控制原理
1、系统构成
      (1)、变频器选择
      由于下行皮带在运行时有再生能量产生，电机功率较大，对系统的控制要求也较高，所以选择高端的可以实现能量双向流动的INVT-CHA100-400G-12四象限运行矢量变频器，CHA100系列四象限变频器既有以下技术特点： 
      a、输入输出特性
      ◆输入电压范围：1140V±15%
      ◆输入频率范围：47～63Hz
      ◆额定输入效率：97%以上
      ◆额定输入功率因数：95%以上 
      b、控制性能特性
      ◆控制方式：无PG矢量控制、有PG矢量控制、V/F控制
      ◆过载能力：150%额定电流 60s；180%额定电流 10s
      ◆启动转矩：无PG矢量控制：0.5Hz/150% (SVC)；有PG矢量控制：0Hz/180%
      c、功能特性
      ◆优异的主从控制逻辑，分别支持速度控制和转矩控制的主从方式
      ◆频率设定方式：数字设定、模拟量设定、485串行通讯设定、多段速设定、模拟量跟踪运行、Profibus通讯给定、高速脉冲HDI 给定等 
      ◆运行方式：检修运行、应急运行、强迫减速运行
      ◆运行曲线：直线运行、S曲线运行 
      ◆起动预转矩补偿
      ◆启动、停机直流制动
      ◆自动电压调整功能：当电网电压变化时，能自动保持输出电压恒定
      ◆提供多达30种系统故障保护功能：过流、过压、欠压、过温、缺相、过载等保护功能。
      根据现场负载的特点及要求，并结合我公司变频器的特点，我们配置如下的变频器，其主要参数如下：
      变频器参数表
                                                                              变频器的系统原理图

      2、系统控制原理
      (1)系统控制原理说明
           变频器的故障输出、变频器停车信号、抱闸开闸反馈、皮带保护系统信号等为集控系统的输入信号；
           抱闸系统的开闸信号，变频器整流运行信号、逆变运行信号为集控系统的输出信号。
      (2)系统控制接线图如下：


                                                                                             系统控制逻辑图




 (4)系统四象限运行分析
      电机正转，电机的输出转矩通过减速机转换后作用在皮带机的驱动轮毂上，并与上层皮带自重沿传输面重力分量作用在皮带机驱动轮毂上的  力矩组合，电机工作在第一象限。当皮带上煤后，煤的重量沿皮带传输方向的分力也作用在驱动轮毂上，并使驱动力矩逐渐增大，当驱动力矩超过摩擦力力矩后，驱动轮毂的转速将加速转动，通过机械连接使得电机转子也加速转动，其速度超过电机的同步转速；此时电机处于反转再生状态，电机工作在第二象限。当电机反转时，则工作在第二、四象限。
      电机运行在第一、三象限时为电动态，其定子中的旋转磁场、电机的输出电磁转矩与转子的转向同向，电机输出的电磁转矩是转子的驱动力矩，此时电机从电网吸收的电能大部分有电磁转矩作用到转子上以机械能形式输出。当电机运行在第二、四象限时为再生态，由于转子切割磁力线的方向发生了改变，故电机作用到转子上的带电磁转矩方向也发生改变，成为转子的制动阻力力矩；此时电机转子被负载的合成力矩拖着以超过同步转速的速度转动，负载作用在皮带机的驱动轮毂上的机械能有电机反馈回电网。变频器驱动三相异步电机工作在四个象限的示意图如下：

五、调试注意事项 
  1、整流器电压环PI参数调节
       当变频器在现场安装后，由于现场电源侧变压器的电感等原因，变频器的PWM整流可能会出现以下情况： 
   (1)整流器运行输出过电压(OV)，当出现过电压时适当降低电压环比例系数和积分系数，增大比例系数KP可加快电压的动态响应，但KP过大容易产生振荡。增大积分系数KI可加快电压的动态响应，但KI过大会导致电压超调且容易产生振荡。通常先调节比例系数KP，在保证系统不振荡的前提下尽量增大KP值，然后调节积分系数KI，使系统既有快速的动态响应又超调不大。 
    (2)整流器运行输出电压波动大，此时适当降低电压环动态比例系数和动态积分系数。 
    (3)整流器运行过电流（OC），此时可适当调低电流环比例系数和积分系数。通过对电流环的调节改变有功电流分量和无功电流分量的动态响应。增大比例系数KP可加快电流环的动态响应，但KP过大容易产生振荡。增大积分系数KI可加快电流的动态相应，但KI过大电流超调且容易产生振荡。通常先调节比例系数KP，在保证电流不振荡的前提下尽量增大KP值，然后调节积分系数KI，使系统既有快速的动态响应又超调不大。 
  2、抱闸与松闸的控制，抱闸系统的开闸信号由集控系统给出，开闸后反馈信号给集控系统，变频器起车；停车时集控系统给出停车信号变频器减速，当变频器到0Hz是继电器输出信号，抱闸系统抱闸。 
  3、整流与逆变的起、停车顺序，启动时集控系统先给整流器起车信号，整流起车后延时5s给出逆变起车信号，逆变起车；停车时，逆变减速到0Hz，运行继电器输出信号停止后整流停车。

 
六、变频器参数设定 
 

七、结束语
      经过变频技术改造后皮带机系统运行良好，并有以下优点：
      1、优越的软启动、软停车特性。防爆变频器的启动、停止时间是任意可调的（1-60min），同时为了平稳起动，还可匹配其具备的S型加减速时间，这样可将皮带机起停时产生的冲击减小至最小，这是其他驱动器难以达到的。
      2、验带功能。煤矿的生产运输系统多以皮带机为主，运输系统检修维护，低速验带功能是皮带机检修的主要要求，变频调速系统为无极调速的交流传动系统，在空载验带状态下，变频器可调整电机工作5%-100%额定带速范围内任意带速。
      3、稳的重载起动。皮带机在运煤过程中任意一刻都可能立即停车再重新起动，必须考虑“重载起动”能力。由于变频器采用无速度传感器矢量控制方式，低频运转最大可输出1.5倍额定转矩，因此最适于“重载起动”。
      4、动调速、节电效果明显。对应于煤矿的特殊生产条件，有时，煤的产量是极不均匀的，当然皮带机系统的运煤量也是不均匀的，在负载轻或无负载时，皮带机系统的高速运行对机械传动系统的磨损浪费较为严重，同时电能消耗比低速运行时大的多，但因生产的需要皮带机系统又不能随时停车，采用单独的控制系统对前级运输系统的载荷、本机运输系统的载荷进行分别测量，这样可控制变频器降速或提前升速。对于载荷不均的皮带机系统，可大大节约电能。
      5、低胶带张力。由于采用防爆变频器所产生的良好起动特性，至少可降低起动张力30%，如在初期设计选择胶带强度时可降低一个标号。在实际应用过程中，由于降低了起动冲击，皮带机机械系统的设备损耗也随之降低，尤其托辊及滚筒的寿命成几倍的延长。
      事实证明英威腾中压四象限变频器有着无法比拟的优越的产品性能和领先的技术优势，在煤炭行业的节能改造应用中能够创造巨大的经济效益和良好的社会效益，对于创建节能环保型的社会发挥着重要的作用。