S120变频调速装置在下行胶带运输系统中的应用

李淑清

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司， 河北 秦皇岛 066004)

S120变频调速装置在下行胶带运输系统中的应用

李淑清

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司， 河北 秦皇岛 066004)

新疆阿克萨依铁矿下行胶带运输系统用变频器驱动下行胶带输送机带发电机运送矿石，将制动过程中产生的再生能量回馈到电网，实现能量的双向流动，可回收大量的电能，降低生产成本。

下行胶带输送机; 四象限变频； 电能回馈

1 工程概况

阿克萨依铁矿区位于新疆阿吾拉勒山分水岭南侧，区内山峦绵延叠垒，山势陡峭，海拔2 550～3 330 m，相对高差780 m，总体属中高山区。矿山采用露天开采方式，露天开采最高标高为3 348 m，封闭圈标高2 844 m，露天底标高为2 784 m。设计采用采场内汽车—溜井—井下破碎—胶带斜井联合开拓运输方案，矿石通过长距离胶带运送至选矿厂旁储矿堆场，标高1 576 m；长距离胶带运输系统采用地下斜井与地上通廊相结合的布置方案，地下斜井可避开地形条件复杂地区，进入平缓地区后转入地上胶带输送。矿石输送系统胶带机角度为-8°～-12°，总水平运输距离6 067 m，总高差824 m ，设3条胶带机。矿石经井下破碎硐室破碎后，经过1号斜坡道内的胶带机到1号转运站，该胶带机角度-8°，水平运输距离2 180 m,高差307 m，驱动电机功率690 V 1 000 kW；再经过2号斜坡道的胶带机运至转运硐室，该胶带机角度-8°，水平运输距离1 437 m, 高差187 m，驱动电机功率690 V 630 kW；然后由3号胶带机(地表通廊)运至选矿厂矿石堆场，该胶带机中间经过半径1 000 m的平面转弯，高差330 m，水平运输距离2 450 m，驱动电机功率690 V 630 kW。胶带机宽度为1.2 m。带式输送机全载向下自动运行,胶带机的驱动装置和制动装置均设在输送机尾部，输送带拉紧装置设在靠近输送机头部。

2 胶带运输系统运行控制

长距离运输系统胶带属于大惯性负载，启动力矩大。为了保证带式输送机安全、平稳运行，设计采用SⅠNAMⅠCS S120变频调速装置，该装置可按预设曲线准确实现可控软启动和软停车，以实现带式输送机的运转安全平稳，减少对设备和输送带的冲击；对各瞬态速度、力矩的控制反应快速且稳定，最大限度地降低了胶带的张力，从而为安装、调试、检修、慢速验带提供了条件。

2.1 S120变频器工作原理

SⅠNAMⅠCS S120变频器采用交—直—交电压源型主电路结构形式，系统通过以键盘智能控制芯片HD7279A为核心的键盘输入系统运行所需参数(频率也可以通过模拟给定)，再通过DSP实时计算出脉宽，最终将PWM信号通过外围驱动电路，转化成能驱动功率模块IPM的信号控制逆变器的输出。同时DSP通过采样电路对系统实时采样，一方面监控系统工作状态供LED显示，另一方面还实时检测系统故障，以便能及时地加以保护并诊断故障原因。控制芯片是以TI公司的TMS320LF2407A DSP为控制核心，硬件电路分为主电路、控制电路、采样检测及保护电路部分，系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

TMS320LF2407A采用高性能静态CMOS技术，25 ns指令周期，速度为40 MIPS，低电压3.3 V设计；总寻址范围192 K字，其中包括64 K程序空间,64 K数据空间,64K I/O空间；片内程序空间集成32 K字Flash；数据空间集成2.5 K字RAM，包括544字DARAM，2 K字SARAM；两个事件管理模块EVA、EVB，分别提供两个16 bit全局计数器，8个脉冲宽度可调调制通道PWM，三个外部事件的定时采样捕获单元；同步的16通道高性能10 bit ADC，转换速率为500 ns；串行异步通信接口(SCI)、串行同步外设接口(SPI)、CAN总线2.0接口。由于TMS320LF2407A集成了多种数据传输接口，并且片内集成ADC模块，满足长距离胶带输送机下列运行控制原则：

(1)带式输送机启动前，输送系统在带式输送机沿线自动发出启动预告信号。

(2)带式输送机启动、正常停机，紧急停机分别设置不同的加、减速度，使整个输送系统实现软启动和软制动。

(3)系统的各种保护开关具有位置识别功能，可以迅速准确定位故障地点和故障类型。

(4)具有集中遥控、就地自动、就地手动等多种控制方式。

(5)具有低速运行方式验带功能，验带速度可设定。

(6) 输送系统启动，设备从末端胶带机开始按所选流程逆料流方向逐一顺序启动，停机时从矿源设备开始顺料流方向逐一按预定延时顺序停止。

(7)在程序自动和联锁手动方式下，当任一运行的设备出现故障或事故时，如现场急停(拉绳)、保护跳闸、持续一定时间的跑偏、打滑或堵料时，立即停止事故设备的运行，同时联锁逆料流方向的所有设备。当按下操作台上“紧急停机”按钮时，所有运行设备立即停止运行。

2.2 胶带运输系统保护设施

为实现胶带运输系统安全稳定运行，设置以下保护设施：

(1)胶带打滑检测、保护。

(2)机头卸料、转载处堵料保护。

(3)胶带纵向撕裂保护。

(4)胶带沿线二级跑偏保护(能识别沿线跑偏的具体位置，分报警和停机两级保护)。

(5)胶带沿线拉绳急停闭锁保护(能识别沿线急停闭锁的具体位置)。

(6)电机三相绕组温度、轴承检测及温度保护。

(7)驱动滚筒两端轴承温度监测保护。

3 能量回馈

下行胶带在启动、无负荷和输送负荷较少时，变频器从供电回路取电后给电机供电，此时电机做正功与一般的变频调速系统完全相同；当负荷达到一定量时，电机做负功率，处于发电状态。设计采用四象限运行的有源整流/回馈柜(ALM+AIM)+逆变柜。在速度控制及需要减速制动时，整流/回馈柜可实时实现再生回馈制动功能，在正常工作状态时，整流通过二极管来实现，再生回馈时，通过ⅠGBT实现网侧换流，并提供100%连续的再生能量回馈电网。

3.1 四象限运行的有源整流/回馈柜

有源型电源是可控整流/回馈装置，用于高动态性和高稳定性要求的驱动系统，其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源。它的四象限运行，可向电网回馈能量；直流母线电压恒定，适合于高动态响应的应用；运行可靠性高，有一定耐受电网电压跌落能力，变频器的主回路如图2所示。

图2 变频器主回路图

3.2 回馈能量计算

1号胶带：

胶带机输送能力为1 000 t/h，胶带负力运行时物料向下运动位能变化产生的势能为(忽略摩擦阻力)：

W=mgh=1 000×9.8×307=3 008 600 kJ

假设该势能经过发电机全部转换为电能，电力(当量)t=3 600 kJ/kW·h，则适配的电机功率为：

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

因此，1号胶带机发电功率为836 kW。

同理，计算2号胶带机发电功率为966 kW，3号胶带机发电功率为925 kW。

4 通讯网络

SⅠNAMⅠCS S120变频调速装置采用全新DRIVE-CLIQ通讯连接，DRIVE-CLIQ是连接SⅠNAMⅠCS S120系统不同组件的通讯系统。它的特点是：(1)可通过控制单元自动识别组件；(2)所有组件上接口统一；(3)可对组件进行诊断和维修。

变频调速装置与外部通讯采用PROFIBUS-DP现场总线模式，在该模式下，把变频调速装置作为一个网络节点与上位机DCS(PLC)进行控制字与状态字的交换，实现远程监控。还可以采用高速工业以太网PROFINET与普通的工业以态网标准TCP IP实现无缝连接，速率可达全双工100 Mbps。

5 应用实践

阿克萨依铁矿三条矿石输送胶带机均采用SⅠNAMⅠCS S120变频调速装置运行，以1号胶带为例，该胶带机角度-8°，水平运距2 180 m,高差307 m，驱动电机功率690 V 1 000 kW。带式输送机全载向下自动运行,胶带机的驱动装置和制动装置均设在输送机尾部，输送带拉紧装置设在靠近输送机头部。

5.1 启动过程

由于胶带机依靠重力自行运行属于大惯性负载，启动力矩大。胶带机启动时完全在S120变频调速器控制的频率及速度下运行，同时，由于变频器采用了矢量控制技术，故具有较大的启动力矩(0.5 Hz时可达到2倍的额定力矩)，满足胶带机重载启动要求。

5.2 运行过程

胶带机在运行过程中，随时都可能产生短时或长时负力，S120变频调速装置随时监测负力的产生，将负力回馈电网，同时实现系统运行中正力到负力及负力到正力的平稳控制，通过控制电动机的运行频率，防止胶带机超速，使系统能够安全可靠地运行。

6 应用效果

阿克萨依铁矿矿石输送系统胶带机采用SⅠNAMⅠCS S120变频调速装置运行，应用四象限运行能量回馈功能，系统正常运行时三台电机均处于发电状态，每天24 h连续不断以2 727 kW的功率发电，按每年运行时间9个月计算，年总发电量为1 814万kW·h，按每千瓦时电0.5元计算，每年可节约电费925万元。解决了胶带机负重下行过程中的速度失控问题，实现胶带机运行全过程启动、制动和速度控制，设备维护量小，可与工厂总控制系统联网统一管理。其具有物料在运输过程中相对稳定，扬尘点少，对环境污染小等优点，可在类似工程中推广使用。

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，辽宁朝阳人，大学本科，高级工程师，主要从事电气工程设计工作。

TM921.51

B

1008-5122(2014)04-0047-04