变频器在下运带式输送机中的应用

王栋

[摘    要]简述了变频器在下运带式输送机的应用，并根据下运带式输送机的工况需求及再生能量的处理方式，引出了变频器在下运带式输送机中的三种应用方案，对三种应用方案进行了详细的介绍，并就三种方案的适用范围、性能、成本、节能等方面进行了对比。结合实际应用案例表明，变频器在下运带式输送机的应用中能提供下运带式输送机所需的的驱动力和制动力，保证皮带稳定可靠运行。

[关键词]下运带式输送机;变频器;盘式制动

[中图分类号]TD634.1 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）05–0–03

Application of Frequency Converter in Downward Belt Conveyor

Wang Dong

[Abstract]This paper briefly describes the application of frequency converter in the lower belt conveyor， and according to the working condition requirements of the lower belt conveyor and the processing method of regenerative energy， three types of frequency converters in the lower belt conveyor are introduced. Application scheme， the three application schemes are introduced in detail， and the application scope， performance， cost， energy saving and other aspects of the three schemes are compared. Finally， combined with practical application cases， it is shown that the inverter can provide the driving force and braking force required by the lower belt conveyor in the application of the lower belt conveyor， and ensure the stable and reliable operation of the belt.

[Keywords]down-carrying belt conveyor; frequency converter; disc brake

带式输送机已成为矿山矿井、港口码头、地铁隧道、引水隧道等生产中一种重要的运输工具，其最大的特点是能够使生产系统更加紧凑、集中和合理。它正朝着长距离、大运量、大倾角方向发展。下运带式输送机是一种倾斜向下运输的带式输送机。在下运带式输送机运行过程中，需要提供有效的制动装置，能够使下运输送机不出现加速现象，解决此问题的办法有增加阻尼滚筒、阻尼托辊、转速限制器等，此类方法会造成设备磨损、能量损耗、不可有效控制等缺点，现在越来越多地采用变频器为带式输送机提供平稳的驱动力及制动力，变频器在调速范围、调速精度、控制灵活、工作效率、使用方便等方面都有很大的优点。

1 变频器在下运带式输送机的应用简介

变频器可分为两象限变频和四象限变频器。两象限变频器大都采用二极管作为整流桥，其只能工作在电动状态;四象限变频器采用IGBT作为整流桥，其可以实现能量的双向流动。

在变频器驱动的下运带式输送机运行过程中，皮带上物料重力作用产生的下滑力大于输送机的各项阻力之和时，会带动电机加速运转直至超过电机的同步转速，电机进入发电工况运行，并输出制动力矩，最终达到新的平衡点，而此时也会产生大量的再生电能，如果这部分再生电能不及时消耗，就会导致直流母线过压，变频器会故障报警，甚至会损害变频器。在变频器应用中，对再生能量最常用的处理方式如下。

（1）通过并联“制动电阻”，以热能的形式消耗，其为能耗制动。

（2）反馈的能量回馈到电网或再生利用，以作功的形式消耗，其为再生制动。

下运带式输送机的变频驱动系统配置在带式输送机的上游位置，保证皮带驱动的张紧度，防止驱动出现打滑现象，并且为了保证设备安全运行，需配置机械式的辅助制动装置。

2 变频器在下运带式输送机应用方案

根据下运不同的工况下，通过变频器的灵活搭配，提出变频器在下运带式输送机中的三种应用方案。

2.1 方案1

方案1为二象限变频器+制动单元+制动电阻。

该方案制动单元为直流斩波器，可以在变频器内置和外置，对于AC400 V、50 Hz供电的变频器，其直流母线一般为DC570 V，斬波电压一般DC630 ～760 V可调。制动单元是一种间歇性工作的电力电子设备，为了保证其正常工作，必须合理选择制动单元，其根据制动频度ED及变频器功率进行选型。制动电阻及功率选型可根据制动单元选型手册中的匹配电阻进行选型。

方案1的再生电能通过电阻发热的方式消耗掉，若长时间制动，或制动功率较大时，需要配置数量较多的电阻，且电阻长时间处于能耗制动状态，会造成发热严重，需要对电阻进行严格的散热处理，此时方案1的成本较高，整体的配置较为繁重，并造成大量能量的浪费，故方案1主要应用场合为小坡度低运量的下运输送带，其在正常负载时变频器处于电动状态，偶尔会出现短时间过载时，变频器才会处于发电状态的工况。

2.2 方案2

方案2为二象限变频器共直流母线，其中有制动工况的变频器，有驱动工况的变频器，制动工况的变频器的能量由驱动工况的变频器消耗。

方案2为多个单体的二象限变频器进行共直流母线处理，其保证了多台变频器的相对独立性;也可采用共直流母线的方式，整流装置与逆变装置分开，一台或多台较大整流装置共直流母线，且每台逆变器都必须另外作隔离保护装置。上述方式变频器，须由一个变压器供电，且尽量安装在一起，避免远距离配线，且其容量可以不必相同，反馈的能量由各个负载单元互相利用，不足的能量由电网提供。

二象限变频器共直流母线的再生电能通过内部再生利用的方式消耗掉，电动工况的变频器与发电工况的变频器必须同时工作。方案2主要应用场合为下运输送带与其他变频负载共存的工况下使用，其他负载变频器处于电动状态，下运带式输送机变频器处于发电状态，且其他负载变频器的输出功率不小于下运带式输送机的发电功率，存在一定的局限性，但这种应用方式节电率最高，成本最低。

2.3 方案3

方案3位有源前端AFE+功率单元。

AFE单元是共直流母线产品中的可回馈功率转换器的前端，需要有外部L（CL）滤波器和充电电路，且其各种保护功能齐全，安全可靠。AFE单元可单一变频器、公共直流母线、有功前端单元并联多种组合方式，在有源前端AFE单元并联使用时需要设置下垂drooping参数=5%。设置PWM同步参数=Enable（每台AFE都设置）。其可实现AFE单元的扩容以及同步性。

有源前端AFE+逆变功率单元可实现可控整流及能量回馈，直流母线电压可调，功率因数可调，通常可达到99%，通常配置LCL滤波单元，可有效降低谐波，直流母线电压波动带来的影响基本可忽略，直流母线电压恒定，变频器控制的性能及可靠性较高。

有源前端AFE和功率单元的选型根据制动功率和驱动功率两者之间的较大值进行选择。有源前端AFE+逆变功率单元的再生电能通过回馈电网的方式消耗掉，适用于各种工况下的下运带式输送机，其对谐波要求较高，节能、控制性能及可靠性高，但成本相对较高。

2.4 方案对比

通过对以上三种方案的详细介绍，对三种方案的适用工况，优缺点进行总结，见表1。

在实际工况下，可以综合考虑，选择最优方案。在方案2中，若发电工况的电机短时间过载时，发电功率在短时间大于电动功率时，可以结合方案1，在直流母线上增加制动单元及制动电阻，将方案1与方案2结合使用，使整套系统从性能、成本、节能方面达到最优配置。

3 案例

如图1所示，在某项目中使用越野皮带机，该越野皮带机为配合隧道掘进机出渣，其出渣量由闸门控制，基本在保持在300 t/h以下，短时间内会达到600 t/h。

下面对带式输送机的制动功率或驱动功率进行计算。

（1）基本参数

水平机长：L=606 m;

提升高度：H=-37.9 m;

最大运量：Q=600 t/h;

皮带带速：v=0-3.15 m/s;

托辊直径：φ108 mm

上托辊间距：直线段1.5 m

下托辊间距：直线段3 m

承载部分：qR0=8.14 kg/m;

回程部分：qRU=4.17 kg/m;

輸送带质量：qB=20.5 kg/m;

每米输送物料的质量：qG=52.9 kg/m;

输送能力：。

（2）主要特种阻力FS1=Fε+Fgl=

式中，Cε为槽形系数;μO为摩擦系数;Lε为装前倾托辊的输送机长度;ε为前倾角度;μ2为物料与导料栏板摩擦系数;b1为导料栏板间宽度;l为导料栏板长度;δ为皮带角度。

（3）附加特种阻力

FS2=4Fr=4×A×P×μ3

式中，A为接触面积;p为压力;μ3为摩擦系数。

（4）倾斜阻力FSt=qGHg

（5）主要阻力FH=

fLg[qR0+qRU+（2qB+qG）cosδ]

由此可得：

圆周力：FU=CFH+FSt+FS1+FS2

传动滚筒轴功率：PA=FUv/1 000

驱动电机所需功率：

式中，备用系数Kd=1.2;η1为联轴器效率，0.98;η2为减速器传动效率，0.96;η′为电压降系数，0.95。

该越野皮带机属于小坡度低运量的下运输送带，且其附近无其他负载，故二象限变频器共直流母线方案在此不适用，综合考虑成本及实际工况需要，最后选择二象限变频器+制动单元+制动电阻方案。

根据计算，该越野皮带机采用头部驱动的形式，电机功率为200 kW，变频器选用Vacon二象限变频器NXP04605，制动电阻选用贝壳BKRX20-5KW45RJJ/5KW/4.5Ω/10个，共50 kW，制动单元选用贝壳BKBU4400N/1只/动作电压670 V。

通过监视变频器的直流母线电压，其波形如图2所示。

在越野皮带机带载量较大时，电机处于发电制动状态，变频器直流母线上升，当直流母线电压上升至670 V时，通过制动电阻能耗制动，制动单元的运行指示灯常亮;在越野皮带机带载量适中或较小时，电机处于电动驱动状态，变频器直流母线恒定在570 V，此时制动单元的运行指示灯不亮。且在越野皮带机运行期间，制动电阻温度均在正常范围内，皮带速度运行稳定，未出现超速、飞车等情况。通过实践验证，采用变频器+制动单元+制动电阻方案很好地解决了该越野皮带机的下运能耗制动及驱动运行的需求。

4 结束语

提出了下运带式输送机的三种解决方案，并对其进行了详细分析，在使用范围、性能、成本及节能方面对其进行了归纳总结。最后根据案例的实际工况情况进行了方案的选择，通过计算数据进行了元器件的选型，并通过实际应用效果进行验证。变频器在下运带式输送机的应用，相比于传统的增加阻尼等方案，其操作更灵活方便，可控性好，运行可靠，减少设备磨损，节能，具有很好的应用前景。

参考文献

[1] 刘洪焰.施耐德AFE有源前端变频器在煤矿皮带机的运用[J].煤矿现代化，2014（4）：2.

[2] 李方园.通用变频器共用直流母线方案的设计与应用[J].电工技术杂志，2004（6）：3.

[3] 赵瑞林.共用直流母线变频器方案的设计[J].自动化技术与应用，2013（11）：4.