0、引言
圖1所示為膠帶輸送機的簡單工藝圖，主要包括膠帶、驅動滾筒和減速機、托輥機架、張緊裝置、驅動裝置、制動裝置、控制及保護裝置等，如是物料輸送系統，還應包括給料機、收塵器、溜槽、料庫等。
一般理論認為，輸送帶由彈性單元組成，膠帶輸送機為柔粘性力學系統，具有明顯的運動力學特征，在啟動加速、停車減速及張力變化過程中均呈現出復雜的運動學特征，主要表現為橫向振動、縱向振動以及動態張力波在膠帶中的傳播和疊加，造成輸送系統的不穩定，具體表現為膠帶斷裂、機械損害、局部諧振跳帶、疊帶、撒料等。因此，選用合適的驅動設備控制膠帶輸送機的工作張力和啟動、制動加速度，優化膠帶輸送機的運行工況，對于有效延長其使用壽命、保證膠帶輸送機安全穩定地運行、保障煤炭生產具有重要的意義。
神華能源股份有限公司原有的帶式輸送機一般采用CST、調速型液力偶合器等機械和液壓方式驅動設備，存在著效率低、維護復雜、工作環境差、不能調速運行、非線性、啟動電流大等缺陷，而且由于啟動加速度大，導致膠帶持續波動、張力特性較差，無法對長距離輸送的動態優化和安全啟動提供有效的保證。
隨著電力電子技術的發展，變頻技術在近20年得到了飛速的發展，獲得了廣泛的應用。變頻器應用于輸送機類恒轉矩負載的調速驅動過程，優化了膠帶輸送機的啟停特性，具有啟動沖擊小、可靠性高、調速范圍寬、節能等特點。神華能源股份有限公司通過分析比較，采用了變頻器取代原有的CST、液力偶合器，對帶式輸送機的驅動進行改造，取得了較好的經濟效益。
1、變頻器簡介
把直流電轉換為交流電的裝置被稱為逆變器，而把直流電源逆變為頻率、電壓均可調的逆變器即為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要用于三相異步電動機的速度調整，故又被叫做變頻調速器。目前所使用的變頻器通常采用交一直一交變頻方式，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給異步電動機。
1.1變頻調速原理
變頻調速原理基于電動機的轉速公式：
由式(1)可見，電動機的旋轉速度主要取決于電動機的磁極對數和電源頻率。由電動機的工作原理可知，電動機的磁極對數通常是固定不變的。因此，改變電動機供電電源的頻率就可以自由地控制電動機的旋轉速度。
在異步電動機恒轉矩變頻調速系統中，隨著變頻器輸出頻率的變化，必須相應地調節其輸出電壓，這是由三相異步電動機本身的功率關系決定的。如果僅改變頻率而不調整輸出電壓，電動機將被燒壞。特別是當頻率降低時，該問題就非常突出。為了防止電動機燒毀事故的發生，變頻器在改變頻率的同時必須同時改變電壓。例如，為了使電動機的旋轉速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60 Hz改變到30 Hz，這時變頻器的輸出電壓就必須從400 V改變到約200 V。
1.2變頻控制原理
目前變頻器所采用的變頻控制技術通常為
PWM脈沖寬度調制技術和矢量控制技術。
1.2.1 PWM變頻控制原理
PWM(Pulse Width Modulation)即脈沖寬度調制技術，現以PWM中最常用的SPWM正弦波脈沖寬度調制技術為例說明PWM變頻控制的原理。
SPWM是指按正弦波規律調制輸出電壓中各脈沖寬度，使其平均值為正弦波，輸出波形如圖2所示。SPWM含載頻信號和基準信號，載頻信號為等腰三角波，基準信號為正弦波。通過正弦波與三角波相交的方法，確定各分段矩形脈沖的寬度。由于三角波相鄰兩腰間的寬度隨其高線性變化，故任一條不超過可調制范圍的光滑曲線與三角波相交時，都會得到一組等幅、等矩、脈沖寬度正比于該曲線值的矩形脈沖。用正弦波為基準信號時，可獲脈寬與正弦波值對應的矩形脈沖序列。該脈沖序列信號用于逆變器電子開關的開通與關斷控制時，改變正弦波基準信號的幅值和頻率，即可相應地改變逆變器的輸出電壓與頻率。
1.2.2矢量控制原理
矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動機的定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量（勵磁電流）和產生轉矩的電流分量（轉矩電流），分別加以控制，并同時控制2個分量的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。
矢量控制可調整變頻器的輸出電壓，使電動機的輸出轉矩和電壓的平方成正比地增加，從而改善電動機的輸出轉矩。使用“矢量控制”，可以使電動機在低速時的輸出轉矩達到額定轉矩。
1.3變頻器構成
本文中應用的變頻器是12脈沖三電平PWM電壓源型變頻器，其電路可分為主回路（給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分）和控制回路（給主回路提供控制信號的回路）。本文主要介紹變頻器的主回路。
主回路由整流、中間直流環節、逆變3個部分組成，如圖3所示。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，其輸出為PWM波形，中間直流環節完成濾波、直流儲能和緩沖無功功率等功能。
整流部分：使用二極管整流，它把工頻交流電轉換成直流電。
直流環節；在整流部分整流后的直流電壓中，含有電源倍頻（主要是11和13倍）的脈動電壓，此外逆變部分產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電容器吸收此脈動電壓。
逆變部分：是將直流電轉換為所要求頻率的交流電，在所規定的時間內使12個IGBT元件導通、關斷，就可以得到三相交流輸出。
2、變頻器在礦井膠帶機輸送系統中的應用
2.1 中壓變頻器的應用實例
變頻器在神華能源股份有限公司某主斜井膠帶機輸送系統中的調速驅動原理如圖4所示。
驅動系統采用西門子Simovert MV系列2 300 V中壓變頻器，并采用羅克韋爾的PLC作為主從控制器，通過PROFIBUS- DP連接協調各驅動器之間的控制關系。，
根據現場工藝的要求，3套變頻器實現主從控制，即二次電動機設定為主傳動（將參數P242恒定值設定為O），工作在閉環速度控制模式，即跟隨1#電動機的速度，并且1#電動機的實際轉矩給其作為轉矩限幅。一次側2臺同軸驅動的電動機中，1#設定為主傳動（將參數P242恒定值設定為1），2#設定為從驅動，工作在閉環轉矩控制即跟隨1#主驅動的轉矩。主傳動為閉環速度控制模式，從傳動則為閉環力矩控制模式，當二次電動機的速度達不到給定速度時，速度環飽和，這時電流環起作用，二次電動機的轉矩跟隨1#主電動機的轉矩。主從傳動之間通過適當的通信連接并合理地設置變頻器的參數，實現變頻器之間的負荷分配。
當主傳動進行維護或出現故障時，通過變頻器間的控制聯鎖，其中1臺從傳動變頻器自動升為主傳動（參數P242自動置O），以確保傳輸帶仍能在降負荷下工作。
圖5所示為變頻器調速驅動系統所實現的膠帶輸送機啟動和停車時的優化“S”形特性曲線。膠帶機的啟動過程：由主從控制器PLC作為給定函數發生器，給出優化“S”型曲線作為變頻器主驅動的速度給定信號，同時主驅動接收來自電動機軸編碼器的脈沖信號作為速度負反饋信號。主傳動速度輸出將跟隨“S”型給定曲線上升，而主傳動輸出轉矩控制信號給從驅動，實現電流調節和功率平衡。停車過程類似上述啟動過程：膠帶卸料完畢，發出正常停車指令，“S”型曲線開始下降，由變頻器控制軟停車過程。當速度降低到允許機械抱閘時，各驅動裝置斷電停車。
2.2應用注意事項
(1)電抗器的作用是防止變頻器產生的高次諧波通過電源輸入回路返回到電網，從而影響其它受電設備。應根據變頻器的容量大小決定是否需要加電抗器。
(2)濾波器安裝在變頻器的輸出端，為了減少變頻器輸出中的高次諧波。當變頻器與電動機的距離較遠時，應該安裝濾波器。
(3)變頻器具有各種保護功能，但它在缺相保護方面并不完美。斷路器可在主回路中起到過載、缺相等保護作用，變頻器選型時可按照變頻器的容量選擇使用斷路器。變頻器自身所帶的過載保護可代替熱繼電器保護。
(4)應考慮散熱問題。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數地上升，使用壽命隨溫度升高而成指數地下降。環境溫度如升高10℃，變頻器使用壽命就會減半。本文中應用的變頻器是風冷型變頻器，其冷卻風扇的正常運行是變頻器正常運行的保障。
2.3變頻調速與傳統驅動性能的比較
傳統上，煤礦膠帶機多采用液力偶合器傳動。隨著電力電子技術的發展，變頻器（尤其是大功率變頻器）的應用得到了高速發展。根據運行實踐，筆者認為膠帶輸送機采用變頻調速系統與其它傳統驅動系統比較具有不可比擬的優勢：
(1) PWM調制實現調頻調幅同步，保證了設備的安全，并有效地抑制了諧波和噪聲。
(2)雖然膠帶機屬于恒轉矩負荷，其變頻節能效果不如平方轉矩負載的風機、泵類好，但由于煤礦生產的特殊性，膠帶機滿載的時間較短，故其調速節能效果還是較明顯的。根據實測，采用變頻調速系統后，電耗較恒速運行方式下降20%以上。
(3)變頻調速能降低膠帶機啟動時的動張力，延長膠帶壽命，減少轉動部件（滾筒、托輥等）的旋轉次數，減少磨損，相應地增加膠帶機的服務年限。
(4)變頻器還有故障率低、開機率高、維護量小且維修快捷、降低維護人員的工作強度等優點。
3、結語
變頻器在神華能源股份有限公司膠帶輸送工程中的應用已有1年，運行結果表明：采用變頻器調速驅動的膠帶機輸送系統具有運行穩定、可靠性高、程序修改靈活、操作方便等特點，為礦井生產長期穩定地運行起到了非常重要的作用。
圖1所示為膠帶輸送機的簡單工藝圖，主要包括膠帶、驅動滾筒和減速機、托輥機架、張緊裝置、驅動裝置、制動裝置、控制及保護裝置等，如是物料輸送系統，還應包括給料機、收塵器、溜槽、料庫等。
一般理論認為，輸送帶由彈性單元組成，膠帶輸送機為柔粘性力學系統，具有明顯的運動力學特征，在啟動加速、停車減速及張力變化過程中均呈現出復雜的運動學特征，主要表現為橫向振動、縱向振動以及動態張力波在膠帶中的傳播和疊加，造成輸送系統的不穩定，具體表現為膠帶斷裂、機械損害、局部諧振跳帶、疊帶、撒料等。因此，選用合適的驅動設備控制膠帶輸送機的工作張力和啟動、制動加速度，優化膠帶輸送機的運行工況，對于有效延長其使用壽命、保證膠帶輸送機安全穩定地運行、保障煤炭生產具有重要的意義。
神華能源股份有限公司原有的帶式輸送機一般采用CST、調速型液力偶合器等機械和液壓方式驅動設備，存在著效率低、維護復雜、工作環境差、不能調速運行、非線性、啟動電流大等缺陷，而且由于啟動加速度大，導致膠帶持續波動、張力特性較差，無法對長距離輸送的動態優化和安全啟動提供有效的保證。
隨著電力電子技術的發展，變頻技術在近20年得到了飛速的發展，獲得了廣泛的應用。變頻器應用于輸送機類恒轉矩負載的調速驅動過程，優化了膠帶輸送機的啟停特性，具有啟動沖擊小、可靠性高、調速范圍寬、節能等特點。神華能源股份有限公司通過分析比較，采用了變頻器取代原有的CST、液力偶合器，對帶式輸送機的驅動進行改造，取得了較好的經濟效益。
1、變頻器簡介
把直流電轉換為交流電的裝置被稱為逆變器，而把直流電源逆變為頻率、電壓均可調的逆變器即為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要用于三相異步電動機的速度調整，故又被叫做變頻調速器。目前所使用的變頻器通常采用交一直一交變頻方式，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給異步電動機。
1.1變頻調速原理
變頻調速原理基于電動機的轉速公式：
由式(1)可見，電動機的旋轉速度主要取決于電動機的磁極對數和電源頻率。由電動機的工作原理可知，電動機的磁極對數通常是固定不變的。因此，改變電動機供電電源的頻率就可以自由地控制電動機的旋轉速度。
在異步電動機恒轉矩變頻調速系統中，隨著變頻器輸出頻率的變化，必須相應地調節其輸出電壓，這是由三相異步電動機本身的功率關系決定的。如果僅改變頻率而不調整輸出電壓，電動機將被燒壞。特別是當頻率降低時，該問題就非常突出。為了防止電動機燒毀事故的發生，變頻器在改變頻率的同時必須同時改變電壓。例如，為了使電動機的旋轉速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60 Hz改變到30 Hz，這時變頻器的輸出電壓就必須從400 V改變到約200 V。
1.2變頻控制原理
目前變頻器所采用的變頻控制技術通常為
PWM脈沖寬度調制技術和矢量控制技術。
1.2.1 PWM變頻控制原理
PWM(Pulse Width Modulation)即脈沖寬度調制技術，現以PWM中最常用的SPWM正弦波脈沖寬度調制技術為例說明PWM變頻控制的原理。
SPWM是指按正弦波規律調制輸出電壓中各脈沖寬度，使其平均值為正弦波，輸出波形如圖2所示。SPWM含載頻信號和基準信號，載頻信號為等腰三角波，基準信號為正弦波。通過正弦波與三角波相交的方法，確定各分段矩形脈沖的寬度。由于三角波相鄰兩腰間的寬度隨其高線性變化，故任一條不超過可調制范圍的光滑曲線與三角波相交時，都會得到一組等幅、等矩、脈沖寬度正比于該曲線值的矩形脈沖。用正弦波為基準信號時，可獲脈寬與正弦波值對應的矩形脈沖序列。該脈沖序列信號用于逆變器電子開關的開通與關斷控制時，改變正弦波基準信號的幅值和頻率，即可相應地改變逆變器的輸出電壓與頻率。
1.2.2矢量控制原理
矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動機的定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量（勵磁電流）和產生轉矩的電流分量（轉矩電流），分別加以控制，并同時控制2個分量的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。
矢量控制可調整變頻器的輸出電壓，使電動機的輸出轉矩和電壓的平方成正比地增加，從而改善電動機的輸出轉矩。使用“矢量控制”，可以使電動機在低速時的輸出轉矩達到額定轉矩。
1.3變頻器構成
本文中應用的變頻器是12脈沖三電平PWM電壓源型變頻器，其電路可分為主回路（給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分）和控制回路（給主回路提供控制信號的回路）。本文主要介紹變頻器的主回路。
主回路由整流、中間直流環節、逆變3個部分組成，如圖3所示。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，其輸出為PWM波形，中間直流環節完成濾波、直流儲能和緩沖無功功率等功能。
整流部分：使用二極管整流，它把工頻交流電轉換成直流電。
直流環節；在整流部分整流后的直流電壓中，含有電源倍頻（主要是11和13倍）的脈動電壓，此外逆變部分產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電容器吸收此脈動電壓。
逆變部分：是將直流電轉換為所要求頻率的交流電，在所規定的時間內使12個IGBT元件導通、關斷，就可以得到三相交流輸出。
2、變頻器在礦井膠帶機輸送系統中的應用
2.1 中壓變頻器的應用實例
變頻器在神華能源股份有限公司某主斜井膠帶機輸送系統中的調速驅動原理如圖4所示。
驅動系統采用西門子Simovert MV系列2 300 V中壓變頻器，并采用羅克韋爾的PLC作為主從控制器，通過PROFIBUS- DP連接協調各驅動器之間的控制關系。，
根據現場工藝的要求，3套變頻器實現主從控制，即二次電動機設定為主傳動（將參數P242恒定值設定為O），工作在閉環速度控制模式，即跟隨1#電動機的速度，并且1#電動機的實際轉矩給其作為轉矩限幅。一次側2臺同軸驅動的電動機中，1#設定為主傳動（將參數P242恒定值設定為1），2#設定為從驅動，工作在閉環轉矩控制即跟隨1#主驅動的轉矩。主傳動為閉環速度控制模式，從傳動則為閉環力矩控制模式，當二次電動機的速度達不到給定速度時，速度環飽和，這時電流環起作用，二次電動機的轉矩跟隨1#主電動機的轉矩。主從傳動之間通過適當的通信連接并合理地設置變頻器的參數，實現變頻器之間的負荷分配。
當主傳動進行維護或出現故障時，通過變頻器間的控制聯鎖，其中1臺從傳動變頻器自動升為主傳動（參數P242自動置O），以確保傳輸帶仍能在降負荷下工作。
圖5所示為變頻器調速驅動系統所實現的膠帶輸送機啟動和停車時的優化“S”形特性曲線。膠帶機的啟動過程：由主從控制器PLC作為給定函數發生器，給出優化“S”型曲線作為變頻器主驅動的速度給定信號，同時主驅動接收來自電動機軸編碼器的脈沖信號作為速度負反饋信號。主傳動速度輸出將跟隨“S”型給定曲線上升，而主傳動輸出轉矩控制信號給從驅動，實現電流調節和功率平衡。停車過程類似上述啟動過程：膠帶卸料完畢，發出正常停車指令，“S”型曲線開始下降，由變頻器控制軟停車過程。當速度降低到允許機械抱閘時，各驅動裝置斷電停車。
2.2應用注意事項
(1)電抗器的作用是防止變頻器產生的高次諧波通過電源輸入回路返回到電網，從而影響其它受電設備。應根據變頻器的容量大小決定是否需要加電抗器。
(2)濾波器安裝在變頻器的輸出端，為了減少變頻器輸出中的高次諧波。當變頻器與電動機的距離較遠時，應該安裝濾波器。
(3)變頻器具有各種保護功能，但它在缺相保護方面并不完美。斷路器可在主回路中起到過載、缺相等保護作用，變頻器選型時可按照變頻器的容量選擇使用斷路器。變頻器自身所帶的過載保護可代替熱繼電器保護。
(4)應考慮散熱問題。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數地上升，使用壽命隨溫度升高而成指數地下降。環境溫度如升高10℃，變頻器使用壽命就會減半。本文中應用的變頻器是風冷型變頻器，其冷卻風扇的正常運行是變頻器正常運行的保障。
2.3變頻調速與傳統驅動性能的比較
傳統上，煤礦膠帶機多采用液力偶合器傳動。隨著電力電子技術的發展，變頻器（尤其是大功率變頻器）的應用得到了高速發展。根據運行實踐，筆者認為膠帶輸送機采用變頻調速系統與其它傳統驅動系統比較具有不可比擬的優勢：
(1) PWM調制實現調頻調幅同步，保證了設備的安全，并有效地抑制了諧波和噪聲。
(2)雖然膠帶機屬于恒轉矩負荷，其變頻節能效果不如平方轉矩負載的風機、泵類好，但由于煤礦生產的特殊性，膠帶機滿載的時間較短，故其調速節能效果還是較明顯的。根據實測，采用變頻調速系統后，電耗較恒速運行方式下降20%以上。
(3)變頻調速能降低膠帶機啟動時的動張力，延長膠帶壽命，減少轉動部件（滾筒、托輥等）的旋轉次數，減少磨損，相應地增加膠帶機的服務年限。
(4)變頻器還有故障率低、開機率高、維護量小且維修快捷、降低維護人員的工作強度等優點。
3、結語
變頻器在神華能源股份有限公司膠帶輸送工程中的應用已有1年，運行結果表明：采用變頻器調速驅動的膠帶機輸送系統具有運行穩定、可靠性高、程序修改靈活、操作方便等特點，為礦井生產長期穩定地運行起到了非常重要的作用。
