1、概述
    目前，多驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)的應(yīng)用中基本采用相同類型的變頻器，在運(yùn)行過(guò)程中需要各驅(qū)動(dòng)協(xié)同工作，要求多驅(qū)動(dòng)同步出力，共同分擔(dān)帶式輸送機(jī)的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和功率的動(dòng)態(tài)平衡。本文論述了兩種不同類型的變頻器在同一臺(tái)帶式輸送機(jī)中的成功應(yīng)用項(xiàng)目，MV系列變頻器的控制單元是在德國(guó)研發(fā)，而PH變頻器的控制單元是在美國(guó)研發(fā)，從原理上看是兩種不同類型的變頻器。這兩種不同電壓等級(jí)、不同工作原理、不同特性、不同控制方式的變頻器驅(qū)動(dòng)同一臺(tái)帶式輸送機(jī)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用中比較少見(jiàn)，而這種應(yīng)用的集成和調(diào)試成功，也對(duì)采用變頻調(diào)速方式控制多驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了一條新的途徑。
2、系統(tǒng)控制難點(diǎn)
    (1) MV變頻器原理及其控制方式
    Simovert MV電壓源型系列變頻器采用了基于電壓空間矢量調(diào)制原理的三電平技術(shù)、高性能矢量控制(VC)技術(shù)以及全數(shù)字無(wú)速度傳感器控制技術(shù)。變頻器的整流部分是由2個(gè)功率相同的三相整流橋系統(tǒng)組成，形成12脈沖，從而保證網(wǎng)側(cè)電源反饋諧波較小，并使電機(jī)受到較小的沖擊。變頻器的逆變部分是由IGBT和鉗位二極管形成的三電平的電壓源逆變器。Simovert MV主要技術(shù)特點(diǎn)：
    1)輸入側(cè)設(shè)置變頻傳動(dòng)變壓器。三卷變壓器二次側(cè)分別采用△/A/Y接線，等效12脈沖整流使得電源輸入側(cè)諧波大為降低，在逆變器側(cè)采用了大功率半導(dǎo)體全控器件．高壓ICBT．逆變器采用三電平PWM控制。變頻傳動(dòng)變壓器與變頻器柜是分體的，功率元件是HV-ICBT，輸出頻率范圍是0-150 Hz。
    2)采用西門子開發(fā)并完善的矢量控制作為核心控制方法。可以實(shí)現(xiàn)含有碼盤信號(hào)的速度閉合控制和不含碼盤信號(hào)的頻率開環(huán)控制，矢量控制通過(guò)磁場(chǎng)定向，可以獲得很高的轉(zhuǎn)矩動(dòng)、靜態(tài)性能。
    3) MV變頻器為電壓源型變頻器。由10 kV高壓柜供給三線圈變壓器，此變壓器二次側(cè)分別采用△、Y接線，相位角相差30°形成12脈沖整流，有效降低5次和7次諧波對(duì)整個(gè)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響。直流電經(jīng)MV變頻器逆變輸出2300 V交流電，直接驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)。MV變頻器通過(guò)CBP2通訊模塊與自動(dòng)化系統(tǒng)建立Profibus通訊。MV變頻器直接控制高壓柜分、合閘，高壓斷路器柜有失壓脫口線圈，為了在意外情況下，不能控制高壓柜分閘時(shí)，保護(hù)MV的直流母線放電電阻，變壓器與MV也有硬接線連接，油浸式變壓器溫度和瓦斯故障能直接傳給變頻器。
    (2) PH變頻器原理及其控制方式
    Robicon PH主要原理是利用輸入隔離變壓器得到多組低壓工頻電壓，采用多級(jí)低壓小功率IGBT的PWM變頻單元，分別進(jìn)行整流、濾波和逆變，串聯(lián)疊加得到高壓三相變頻輸出。羅賓康采用功率單元串接的新型結(jié)構(gòu)方式，將幾個(gè)低壓的PWM功率單元串接組成中、高壓變頻器，較好地解決了一般6脈沖或12脈沖變頻器不可避免的諧波干擾問(wèn)題，這樣無(wú)需額外加裝消諧濾波裝置，同時(shí)也可選用國(guó)產(chǎn)普通電機(jī)，提高了性能價(jià)格比。Robicon PH主要技術(shù)特點(diǎn)：
    1)正弦波輸入，無(wú)需濾波器，輸入諧波優(yōu)于IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93。
    2)采用開環(huán)或閉環(huán)矢量控制，對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載能
在0.3一額定頻率范圍內(nèi)保持恒轉(zhuǎn)矩特性。
3)輸入功率因數(shù)0.95以上，無(wú)需功率因數(shù)補(bǔ)償器。
4)高壓直接輸出，高-高結(jié)構(gòu)，沒(méi)有升壓變壓器。
    5)單元串聯(lián)多電平PWM專利技術(shù)，完美正弦輸出波形（無(wú)需輸出濾波器）．適用國(guó)產(chǎn)普通電機(jī)。
    6)內(nèi)部干式變壓器和功率單元模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)方便。
    7)矢量控制技術(shù)，全數(shù)字控制，恒轉(zhuǎn)矩特性。
    8) 97%系統(tǒng)總體效率（包含變頻器和變壓器部分）。
    9)同類產(chǎn)品中體積最小的高壓變頻器。
    PH變頻器內(nèi)置干式變壓器和功率元件輸出6 000 V電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)；兩臺(tái)電機(jī)均有速度編碼器返回，使控制精度提高。PH變頻器通過(guò)UCS通訊模塊與自動(dòng)化系統(tǒng)建立Profus通訊。
3、電氣協(xié)同控制原理
    主井帶式輸送機(jī)拖動(dòng)方式采用交一直I交變頻系統(tǒng)，其機(jī)頭的雙電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)不同的滾筒，其中一號(hào)驅(qū)動(dòng)變頻采用MV中壓變頻器，二號(hào)驅(qū)動(dòng)變頻采用PH高壓變頻器。主井皮帶監(jiān)控系統(tǒng)選用AB Con-troILogix系列可編程序控制器及ControILogixl/0泵統(tǒng)，通過(guò)SST-PFB-CLX通訊模塊與兩臺(tái)變頻器建立Profibus通訊，PLC設(shè)置為Profibus主站，從站是兩臺(tái)變頻器，主／從通訊完成變頻器數(shù)據(jù)采集和控制功能。其控制原理如圖1所示。
    (1)程序控制方案
    按照現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域多驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)控制比較流行的方法，根據(jù)帶式輸送機(jī)滾筒位置的工藝情況，制定一套控制方案如下：
    1號(hào)電機(jī)（Mv變頻器）做主驅(qū)動(dòng)，速度給定(vl-)給1號(hào)MV變頻器，同時(shí)速度給定+2c/o給2號(hào)變頻器，且l號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給2號(hào)電機(jī)（PH變頻器）做限幅。電機(jī)速度編碼器返回速度給變頻器，通過(guò)內(nèi)部PI調(diào)節(jié)輸出給定動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。變頻器再把模擬量數(shù)據(jù)（電流、電壓、功率、速率等）返回到PLC控制器，動(dòng)態(tài)給定調(diào)節(jié)變頻器。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)于圖20
  (2)轉(zhuǎn)矩平衡
  大型帶式輸送機(jī)系統(tǒng)多為雙滾筒驅(qū)動(dòng)或多滾筒驅(qū)動(dòng)，為了保證系統(tǒng)內(nèi)的同步性能，帶式輸送機(jī)皮帶無(wú)彈性振動(dòng)，平穩(wěn)的運(yùn)行，需要多驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩平衡；首先，要求位于機(jī)頭的各滾筒應(yīng)同步啟、停，在某一電機(jī)故障時(shí)能使系統(tǒng)停機(jī)，同時(shí)為了保證系統(tǒng)的運(yùn)輸能力，應(yīng)盡量保證各滾筒之間的功率平衡。通過(guò)調(diào)整相應(yīng)兩變頻器的速度給定來(lái)調(diào)整兩電機(jī)之間的速度差，通過(guò)轉(zhuǎn)矩限制功能互相限制，便可以任意增大或減小兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流差值的大小，因此可以通過(guò)單獨(dú)的控制系統(tǒng)控制各電機(jī)的電流值，通過(guò)調(diào)整各電機(jī)的速度來(lái)使各電機(jī)電流值逐步趨于平衡，這便形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)矩、功率平衡系統(tǒng)。
  (3)重載啟車
  1)閉環(huán)矢量控制模式。依賴于電機(jī)電流反饋（從B相和C相霍耳效應(yīng)傳感器）．使其電流內(nèi)環(huán)成為閉環(huán)。控制算法由兩個(gè)內(nèi)部電流調(diào)節(jié)器組成，一個(gè)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，另一個(gè)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流。這些調(diào)節(jié)器的輸出組合起來(lái)產(chǎn)生三相電壓指令，在傳送到調(diào)制器之前由不同控制程序的輸出加以修改。這些控制程序包括：
  a．前饋補(bǔ)償（以允許快速電流調(diào)節(jié)）；
  b．死區(qū)補(bǔ)償（以補(bǔ)償每一對(duì)上下IGBT在開關(guān)時(shí)的死區(qū)時(shí)間）；
  c．單元旁路時(shí)峰值下降（也稱為中性點(diǎn)移動(dòng)）。
  外環(huán)由速度環(huán)和磁通環(huán)組成，速度和磁通環(huán)的輸出為轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器的指令。速度反饋由定子頻率和估計(jì)的電機(jī)滑差綜合而成。在這種控制方式下，滑差補(bǔ)償是自動(dòng)進(jìn)行的，電機(jī)磁通由測(cè)得的電機(jī)電壓、電流和定子阻抗估算出來(lái)。一旦變頻器完成掃描或該特性被禁止，變頻器進(jìn)入勵(lì)磁狀態(tài)，在此狀態(tài)期間，變頻器按照指定的磁通斜率使電機(jī)磁通均勻變化到指令值。只有當(dāng)磁通反饋在指令磁通90%以內(nèi)時(shí)，變頻器切換到運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，變頻器使速度增加到期望值，控制環(huán)增益的缺省值能滿足大多數(shù)的應(yīng)用的需要。變頻器根據(jù)電機(jī)參數(shù)能估算出電機(jī)模型參數(shù)，用戶調(diào)節(jié)變頻器雙環(huán)的工具就是速度調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)控制主（1號(hào)）驅(qū)動(dòng)的思想是通過(guò)速度調(diào)節(jié)器控制，從(2號(hào))驅(qū)動(dòng)的思想是，讓速度環(huán)飽和，通過(guò)改變電流限幅值以達(dá)到控制電樞電流從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的作用。
    2)速度調(diào)節(jié)器控制。速度調(diào)節(jié)器的功能是在TRANSVEKTOR磁場(chǎng)定向控制中，速度控制計(jì)算轉(zhuǎn)矩設(shè)定值。該設(shè)定值是速度調(diào)節(jié)器輸出，來(lái)自斜坡函數(shù)發(fā)生器的預(yù)控值和附加轉(zhuǎn)矩之和。如果該設(shè)定值達(dá)到轉(zhuǎn)矩限值（在電動(dòng)或發(fā)電狀態(tài)），斜坡函數(shù)發(fā)生器跟蹤被激活。速度設(shè)定值被跟蹤，使得傳動(dòng)系統(tǒng)工作在特定轉(zhuǎn)矩限值。跟蹤是通過(guò)在設(shè)定值通道中的斜坡函數(shù)發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。調(diào)節(jié)器PI控制是比例、積分控制。比例控制作用隨著Kp值的增大，系統(tǒng)的超調(diào)量加大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快。但隨著Ka的增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能變差。積分作用參數(shù)T的一個(gè)最主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。T越大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除的越快，但t也不能過(guò)大，否則在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
  3)試驗(yàn)效果。經(jīng)多次試驗(yàn)結(jié)果表明，2號(hào)變頻器比1號(hào)變頻器的反應(yīng)速度慢，當(dāng)速度變化快（加速度大）時(shí)，轉(zhuǎn)矩限幅不能發(fā)揮其作用并且二號(hào)的轉(zhuǎn)矩不能出來(lái)，也就是二號(hào)電機(jī)不出力，轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，甚至下降為0，1號(hào)滾筒和2號(hào)滾筒之間是柔性輸送帶聯(lián)接，電機(jī)出力不一致，那么就會(huì)出現(xiàn)交叉出力的現(xiàn)象。通過(guò)細(xì)化兩臺(tái)變頻器的PI參數(shù)（Kp和t值），逐步修改PI參數(shù)，效果很明顯，并且把速度給定的時(shí)間放長(zhǎng)，也就是增加PLC給定曲線的加速時(shí)間，使兩臺(tái)變頻器配合比較完美，在重載試驗(yàn)中，根據(jù)“S”曲線模型，把預(yù)張緊速度由給定10%降低到4%．重載啟動(dòng)，雙電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出，出力穩(wěn)定又均衡，順利解決了所有難題。
4、結(jié)語(yǔ)
    將不同特性的變頻器整合在同一條帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制中，必須根據(jù)變頻器的自身特點(diǎn)，利用PLC控制平臺(tái)，精確、高效、實(shí)時(shí)、協(xié)同控制兩臺(tái)變頻器的核心參數(shù)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)、加速、運(yùn)行、減速等階段的可控、平穩(wěn)運(yùn)行。系統(tǒng)調(diào)試的成功，促進(jìn)了變頻調(diào)速控制技術(shù)在多驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)技術(shù)上的發(fā)展。