DTII皮帶運(yùn)輸機(jī)總體設(shè)計(jì)【優(yōu)秀通過答辯】
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英文翻譯
中文譯文：
帶式輸送機(jī)及其牽引系統(tǒng)
在運(yùn)送大量的物料時(shí)，帶式輸送機(jī)在長(zhǎng)距離的運(yùn)輸中起到了非常重要的競(jìng)爭(zhēng)作用。輸送系統(tǒng)將會(huì)變得更大、更復(fù)雜，而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也已經(jīng)歷了一個(gè)演變過程，并將繼續(xù)這樣下去。如今，較大的輸送帶和多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要更大的功率,比如3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要給輸送帶750KW (成莊煤礦輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求)?？刂乞?qū)動(dòng)力和加速度扭矩是輸送機(jī)的關(guān)鍵。一個(gè)高效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該能順利的運(yùn)行,同時(shí)保持輸送帶張緊力在指定的安全極限負(fù)荷內(nèi)。為了負(fù)載分配在多個(gè)驅(qū)動(dòng)上，扭矩和速度控制在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也是很重要的因素。由于輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)的進(jìn)步,目前更多可靠的低成本和高效驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可供顧客選擇[1]。
1 帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)
1. 1 帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式
全電壓?jiǎn)?dòng) 在全電壓?jiǎn)?dòng)設(shè)計(jì)中，帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)軸通過齒輪傳動(dòng)直接連接到電機(jī)。直接全壓驅(qū)動(dòng)沒有為變化的傳送負(fù)載提供任何控制,根據(jù)滿載和空載功率需求的比率，空載啟動(dòng)時(shí)比滿載可能快3～4倍。此種方式的優(yōu)點(diǎn)是:免維護(hù),啟動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，低成本，可靠性高。但是，不能控制啟動(dòng)扭矩和最大停止扭矩。因此，這種方式只用于低功率,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的傳送驅(qū)動(dòng)中。
降壓?jiǎn)?dòng) 隨著傳送驅(qū)動(dòng)功率的增加,在加速期間控制使用的電機(jī)扭矩變得越來越重要。由于電機(jī)扭矩是電壓的函數(shù),電機(jī)電壓必須得到控制，一般用可控硅整流器(SCR) 構(gòu)成的降壓?jiǎn)?dòng)裝置，先施加低電壓拉緊輸送帶,然后線性的增加供電電壓直到全電壓和最大帶速。但是，這種啟動(dòng)方式不會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的加速度，當(dāng)加速完成時(shí),控制電機(jī)電壓的SCR 鎖定在全導(dǎo)通，為電機(jī)提供全壓。此種控制方式功率可達(dá)到750kW。
繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī) 繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)直接連接到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速機(jī)上,通過在電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中串聯(lián)電阻控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。在傳送裝置啟動(dòng)時(shí),把電阻串聯(lián)進(jìn)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較低的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)傳送帶加速時(shí)，電阻逐漸減少保持穩(wěn)定增加轉(zhuǎn)矩。在多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，一個(gè)外加的滑差電阻可能將總是串聯(lián)在轉(zhuǎn)子繞組回路中以幫助均分負(fù)載。該方式的電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但控制系統(tǒng)可能很復(fù)雜，因?yàn)樗鼈兪腔谟?jì)算機(jī)控制的電阻切換。當(dāng)今，控制系統(tǒng)的大多數(shù)是定制設(shè)計(jì)來滿足傳送系統(tǒng)的特殊規(guī)格。繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)適合于需要400kW以上的系統(tǒng)。
直流(DC)電機(jī) 大多數(shù)傳送驅(qū)動(dòng)使用DC 并勵(lì)電機(jī)，電機(jī)的電樞在外部連接?？刂艱C 驅(qū)動(dòng)技術(shù)一般應(yīng)用SCR裝置，它允許連續(xù)的變速操作。DC 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)械上是簡(jiǎn)單的,但設(shè)計(jì)的電子電路，監(jiān)測(cè)和控制整個(gè)系統(tǒng)，相比于其他軟啟動(dòng)系統(tǒng)的選擇是昂貴的，但在轉(zhuǎn)矩、負(fù)載均分和變速為主要考慮的場(chǎng)合,它又是一個(gè)可靠的，節(jié)約成本的方式。DC 電機(jī)一般使用在功率較大的輸送裝置上,包括需要輸送帶張力控制的多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和需要寬變速范圍的輸送裝置上。
1.2 液力偶合器
流體動(dòng)力偶合器通常被稱為液力偶合器，由三個(gè)基本單元組成：充當(dāng)離心泵的葉輪,推進(jìn)水壓的渦輪和裝進(jìn)兩個(gè)動(dòng)力部件的外殼。流體從葉輪到渦輪，在從動(dòng)軸產(chǎn)生扭矩。由于循環(huán)流體產(chǎn)生扭矩和速度，在驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間不需要任何機(jī)械連接。這種連接產(chǎn)生的動(dòng)力決定于液力偶合器的充液量，扭矩正比于輸入速度。因在流體偶合中輸出速度小于輸入速度,其間的差值稱為滑差,一般為1 %～3 %。傳遞功率可達(dá)幾千千瓦。
固定充液液力偶合器 固定充液液力偶合器是在結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單和僅具有有限的彎曲部分的輸送裝置中最常用的軟啟動(dòng)裝置，其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，成本又低，對(duì)現(xiàn)在使用的大多數(shù)輸送機(jī)能提供優(yōu)良的軟啟動(dòng)效果。
可變充液液力偶合器 也稱為限矩型液力偶合器。偶合器的葉輪裝在AC 電機(jī)上,渦輪裝在從動(dòng)減速器高速軸上，包含操作部件的軸箱安裝在驅(qū)動(dòng)基座。偶合器的旋轉(zhuǎn)外殼有溢出口,允許液體不斷地從工作腔中流出進(jìn)入一個(gè)分離的輔助腔，油從輔助腔通過一個(gè)熱交換器泵到控制偶合器充液量的電磁閥。為了控制單機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,必須監(jiān)測(cè)AC 電機(jī)電流,給電磁閥的控制提供反饋。可變充液液力偶合器可使用在中大功率輸送系統(tǒng)中，功率可達(dá)到數(shù)千千瓦。這種驅(qū)動(dòng)無論在機(jī)械,或在電氣上都是很復(fù)雜的，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本中等。
勺管控制液力偶合器 也稱為調(diào)速型液力偶合器。此種液力偶合器同樣由三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的液力偶合單元構(gòu)成，即葉輪、渦輪和一個(gè)包含工作環(huán)路的外殼。此種液力偶合器需要在工作腔以外設(shè)置導(dǎo)管(也稱勺管) 和導(dǎo)管腔，依靠調(diào)節(jié)裝置改變勺管開度(勺管頂端與旋轉(zhuǎn)外殼間距) 人為的改變工作腔的充液量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。這種控制提供了合理的平滑加速度，但其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)很復(fù)雜。勺管控制液力偶合器可以應(yīng)用在單機(jī)或多機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)， 功率范圍為150kW～750kW。
1．3 變頻控制(VFC)
變頻控制也是一種直接驅(qū)動(dòng)方式，它具有非常獨(dú)特的高性能。VFC 裝置為感應(yīng)電機(jī)提供變化的頻率和電壓,產(chǎn)生優(yōu)良的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和加速度。VFC設(shè)備是一個(gè)電力電子控制器,首先把AC 整流成DC ，然后利用逆變器，再將DC 轉(zhuǎn)換成頻率、電壓可控的AC。VFC 驅(qū)動(dòng)采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC) 技術(shù)，能根據(jù)不同的負(fù)載采用不同的運(yùn)行速度。VFC 驅(qū)動(dòng)能根據(jù)給定的S 曲線啟動(dòng)或停車，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤啟動(dòng)或停車曲線。VFC 驅(qū)動(dòng)為傳送帶啟動(dòng)提供了優(yōu)良的速度和轉(zhuǎn)矩控制，也能為多機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供負(fù)載均分。VFC 控制器可以容易地裝在小功率輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)上。過去在中高電壓使用時(shí)，VFC 設(shè)備的結(jié)構(gòu)由于受電力半導(dǎo)體器件的電壓額定值限制而變得很復(fù)雜，中高電壓的變速傳動(dòng)常常使用低壓逆變器，然后在輸出端使用升壓變壓器，或使用多個(gè)低壓逆變器串聯(lián)來解決。與簡(jiǎn)單的器件串聯(lián)連接的兩電平逆變器系統(tǒng)比較，由于串聯(lián)器件之間容易均壓以及輸出端可以有更好的諧波特性，三電平電壓型PWM 逆
變器系統(tǒng)在數(shù)兆瓦工業(yè)傳動(dòng)中近年來獲得了越來越多的應(yīng)用。由三臺(tái)750kW/ 2. 3kV 的這種逆變器構(gòu)成的VFC 系統(tǒng)已經(jīng)成功安裝在成莊煤礦長(zhǎng)2. 7km的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。
2 使用IGBT的中性點(diǎn)箝位三電平逆變器
由于串聯(lián)器件電壓均分容易,器件每次開關(guān)的d v/ d t 低以及輸出端出色的諧波品質(zhì)，三電平電壓型逆變器在大功率傳動(dòng)應(yīng)用中變得越來越流行。高壓IGBT(HV-IGBT) 的出現(xiàn)使得應(yīng)用三電平中性點(diǎn)箝位原理的中高壓逆變器設(shè)計(jì)有了更大的應(yīng)用范圍。這種逆變器目前可以實(shí)現(xiàn)從2. 3kV到4. 16kV全范圍的應(yīng)用。HV-IGBT 模塊串聯(lián)可使用在3. 3kV和4. 16kV的設(shè)備。2. 3kV逆變器每個(gè)開關(guān)只需要一個(gè)HV-IGBT[2,3]。
２．１ 主功率逆變電路
主功率逆變電路用三電平中點(diǎn)箝位電壓型逆變器實(shí)現(xiàn),可以滿足中高壓交流傳動(dòng)應(yīng)用的需要。與兩電平電壓型逆變器相比，三電平中點(diǎn)箝位電壓型逆變器提供三個(gè)電壓級(jí)別給輸出端，對(duì)于同樣的輸出電流品質(zhì)，開關(guān)頻率可降低到原來的1/ 4，開關(guān)器件的電壓額定值可減小到原來的1/ 2 ，附加到電機(jī)上的額外的瞬態(tài)電壓應(yīng)力也可能減少到原來的1/ 2 。
三電平中點(diǎn)箝位電壓型逆變器的開關(guān)狀態(tài)可歸納于表1 ，U ，V 和W 分別表示三相， P，N 和O 是直流母線上的三個(gè)點(diǎn)。例如，當(dāng)開關(guān)S1U和S2U閉合時(shí)，U 相處于狀態(tài)P(正母線電壓) ，反之，當(dāng)開關(guān)S3U和S4U閉合時(shí)，U 相處于狀態(tài)N (負(fù)母線電壓) 。在中性點(diǎn)箝位時(shí),該相在O 狀態(tài)，這時(shí)根據(jù)相電流極性的正負(fù),或者是S2U導(dǎo)通或者是S3U導(dǎo)通。為了保證中性點(diǎn)電壓平衡，在O 點(diǎn)被注入的平均電流應(yīng)該是零。
2. 2 輸入端變流器
為通常使用12 脈沖二極管整流器給直流環(huán)節(jié)電容器充電,在輸入端引入的諧波是很小的。若對(duì)輸入諧波有更高的要求，可以使用24 脈沖二極管整流器作為輸入變流器。對(duì)于需要有再生能力的更高級(jí)應(yīng)用，可以用一個(gè)有源輸入變流器取代二極管整流器，這時(shí)輸入整流器與輸出逆變器為同一結(jié)構(gòu)。
2. 3 逆變器控制
電機(jī)控制 感應(yīng)電機(jī)的控制可以使用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制器實(shí)現(xiàn),通過使用PWM 調(diào)制器完成了恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和高速弱磁區(qū)的控制。圖2 為間接矢量控制框圖。圖中指令磁通Ψr 是速度的函數(shù),反饋速度和前饋滑差控制信號(hào)ωsl相加。對(duì)相加結(jié)果的頻率信號(hào)積分，然后產(chǎn)生單位矢量(cosθe 和sinθe ) ，最后通過矢量旋轉(zhuǎn)器產(chǎn)生電壓角控制PWM 調(diào)制器。
PWM調(diào)制器 該調(diào)制器實(shí)際上是把空間矢量調(diào)制概念擴(kuò)展到三電平逆變器。其基本原理是三電平PWM 調(diào)制器使用兩個(gè)參考波Ur1 和Ur2，但只使用一個(gè)三角波。它以一種優(yōu)化方式確定每一次開關(guān)時(shí)刻。
產(chǎn)生的諧波盡可能的小，使用盡可能低的開關(guān)頻率以最小化開關(guān)損耗；可將零序成分加到每一個(gè)參考波里以便最大化基波電壓。作為一個(gè)附加的自由度,參考波與三角波的相對(duì)位置可改變，這可以用于直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)的電流平衡。
3 測(cè)試結(jié)果
三個(gè)750kW/ 2. 3kV 三電平逆變器在成莊煤礦2. 7km 長(zhǎng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成功安裝之后,對(duì)整個(gè)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)(VFC) 的性能進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示出使用VFC 控制系統(tǒng)的帶式輸送機(jī)的優(yōu)良特性。圖3為測(cè)試結(jié)果波形。由圖看出,曲線1 顯示受控帶速,帶速呈S 形曲線形狀,曲線2 、3 分別表示電流和扭矩,曲線4 顯示帶張力。從圖中可以發(fā)現(xiàn),帶張力的波動(dòng)范圍很小，所有檢測(cè)結(jié)果顯示出帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)令人滿意的特性。
4 結(jié)論
近年來輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步已更為可靠，符合低成本效益和高效驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為用戶提供了選擇。在這些選擇中，可變頻率控制(VFC)的方法顯現(xiàn)出在將來長(zhǎng)距離輸送中帶式輸送機(jī)扮演了重要的角色。使用高壓IGBT 的中點(diǎn)嵌位三電平逆變器本身可以提供電機(jī)終端所需的供電中高壓,使變頻控制的應(yīng)用更為簡(jiǎn)單。通過成莊煤礦2. 7km長(zhǎng)帶式輸送機(jī)中采用的中點(diǎn)嵌位三電平逆變器變頻調(diào)速(VFC)控制系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果表明,采用HV-IGBT 的中點(diǎn)嵌位三電平逆變器以及使用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矢量控制策略的感應(yīng)電機(jī)變頻傳動(dòng),使帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有非常優(yōu)秀的性能,顯示出良好的應(yīng)用前景。
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