开关磁阻调速皮带机系统设计.docx
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开关磁阻调速皮带机系统设计
开关磁阻调速皮带机系统设计
目录
1系统概况及能效分析2
1.1系统概况2
1.2系统分析及节能原理4
1.3系统节能量计算6
2开关磁阻调速皮带机系统设计7
2.1开关磁阻调速皮带运输机系统设计7
2.2皮带机系统的安全运行保证措施7
2.3防爆开关磁阻电机控制器设计9
1系统概况及能效分析
1.1系统概况
将其皮带机液力耦合系统改造为开关磁阻电机调速系统，该调速系统具有以下优点：
真正实现了带式输送机系统的软起动；
实现皮带机多电机驱动时的功率平衡；
降低皮带强度；
降低设备的维护量；
节能降耗，通过调节转速，提高负载率，节省电能。
1）系统设备参数
改造后的开关磁阻控制器与电机技术参数如表1和表2，皮带机运输系统如图1。
表1开关磁阻控制器与电机额定参数
设备及额定参数
功率
（容量）
电压
电流
调速范围
效率
功率
因数
数量（台）
开关磁阻控制器
额定参数
560kVA
1140V
300A
50~2000r/min
95%
/
4
开关磁阻电机
额定参数
400kW
/
/
1500r/min
90%
0.95
4
表2减速器与皮带机额定参数
减速器
输出功率
n1
n2
数量
/
410kW
1500r/min
75.76r/min
4台
皮带机
长度
带宽
额定运量
额定功率
带速
2280m
1.4m
2200t/h
4*400kW
4m/s
图1皮带机运输系统
2）系统运行情况
系统每年运行340天，每天带载运煤22小时，每天运煤1.1万吨，500t/h，每天空载检修2小时。
系统实际运行数据见表3开关磁阻电机运行数据。
表3开关磁阻电机运行数据
负载情况
输出功率
电机
运行电流
运行转速
运输量
皮带
速度
运行时间
空载（不运煤）
92kW
91A
1500r/min
（50Hz）
/
/
2h
平均负载（运煤）
260kW
181A
1500r/min
（50Hz）
500t/h
4m/s
22h
1.2系统分析及节能原理
国内现有大多数煤矿的皮带输送机一般都采用工频拖动，煤矿的生产条件特殊，产量极不均匀。
当皮带机系统的运煤量不均匀时，甚至负载轻或无负载，皮带机系统的高速运行对机械传动系统的磨损浪费较为严重，同时电能消耗也较低速运行大得多，但生产又需要皮带机系统不能随时停车，采用单独的控制系统对前级运输系统的载荷、本机运输系统的载荷进行分别测量，这样控制电机提前降速或升速，对于载荷不均的皮带机系统，可大大节约电能，对煤矿企业的皮带输送机进行变频改造对节约社会能源、增加煤矿企业的经济效益都具有非常现实的经济意义和社会意义。
从上述表3运行数据可知，目前系统平均运行在260kW，500t/h，离设计值400kW，2200t/h有较大的余量，远没有达到额定转矩。
现我们还保证输煤量500T/h不变，利用控制器降低皮带机运行速度，即增加皮带机单位面积载煤量，以用足额定转矩，使其运行在额定转矩处。
分析整个系统可知，电动机的输出功率包括两部分，一部分拖动皮带机，另一部分输送煤，即：
PΣ=P0+PF=MOω+MFω
上式中：
P0——驱动皮带的功率，kW；
PF——输送煤的功率，kW；
MO——驱动皮带的转矩，Nm；
MF——输送煤的转矩，Nm；
根据皮带机目前运行情况，假定此时电机的转速ω1，降速后电机的转速为ω2，由于单位时间内运煤量不变，因此PF不变，但随着电机的转速降低，P0却随之减小，所以总的电动机输出功率PΣ是减少的，由此可达到降耗节能的目的。
1.3系统节能量计算
调速量的计算
以额定转矩作为标准来调节转速（不调速量下标为1，调速量下标为2）。
按式PΣ=P0+PF=MOω+MFω，皮带机额定运煤量Q2=2200t/h，如果保证输煤量Q1=500不变，则PF不变，MF2增大到额定转矩:
MF2/MF1=Q2/Q1=2200/500=4.4（倍）
MF2=4.4MF1
PF=MF1ω1=MF2ω2
ω2=ω1/4.4≈0.23ω1
调速后皮带驱动角速度也由ω1变为ω2，由于皮带驱动转矩不变，电动机功率P02=M0ω2=0.23M0ω1=0.23P01=0.23×92kW=21.2kW，节能92kW-21.2kW=70.8kW
调速后节能率
70.8/260=27.2%
2开关磁阻调速皮带机系统设计
2.1开关磁阻调速皮带运输机系统设计
该系统的主电路由四套完全相同的皮带机专用开关磁阻电机控制器对四台开关磁阻电机进行调速控制，开关磁阻电机控制器分两组，每组开关磁阻电机控制器拖动共轴安装的两台电机，每组开关磁阻电机控制器直流母线相连，四台开关磁阻电机控制器同时连接到主控制器，以便实现功率平衡调节；电机采用4台400kW的防爆开关磁阻电机，系统的连接如图所示。
系统采用前述的功率平衡技术以及负载预测控制技术，通过调节皮带机的运行速度来实现节能的目标。
2.2皮带机系统的安全运行保证措施
皮带机的运行安全是皮带机系统所必须具备的功能，系统改造后，开关磁阻电机控制器具有以下安全保证功能。
1）、停电安全保证措施
在开关磁阻电机控制器检测到系统部分停电时，则立即采取制动停车；系统立即转入制动状态，系统发电制动，维持皮带机电控系统控制电路工作，为保证可靠，在控制电路中同时增加不间断电源供电，直到系统完全停车。
开关磁阻电机控制器停电保护措施和原系统的停电保护措施联合使用，保证系统在突然停电时安全工作。
2）、瞬时停电时系统的安全运行措施
在系统瞬时停电时，开关磁阻电机控制器具有瞬时停电再启动功能，开关磁阻电机控制器能自动控制系统在来电后自动转速跟踪在启动，不会影响皮带系统的正常工作。
系统在瞬时停电系统在再次来电时，如果系统的运行信号存在，开关磁阻电机控制器将根据检测到的电机转速信号，将开关磁阻电机控制器自动调整到合适的运行速度，系统从目前运行的转速启动，按指令速度运行，实现转速跟踪再启动。
转速跟踪再启动过程图如下：
3）、变频装置故障时的安全运行措施
皮带机在开关磁阻电机控制器故障时，一般只会出现部分单元故障，系统将立即自动停止故障单元所拖动电机运行（当设定主机发生故障时，系统切换到另一台控制器控制，保证系统工作），计算其他电机能否拖动整个皮带机正常运行，若能拖动运行，则系统继续运行，若不能拖动系统正常运行，则立即采取制动停车；在变频装置任何一部分故障时能发出声光报警信号，通知操作人员，若皮带机还处于正常工作状态，操作人员可根据需要，按正常的停车操作，停止皮带机系统。
由于每组开关磁阻电机控制器采用直流共母线结构，一个整流单元故障时，系统都可由另一个整流单元供电，保证系统运转，系统自动切除故障的单元，调整运行状态，保证系统安全。
2.3防爆开关磁阻电机控制器设计
开关磁阻电机由于其优越的调速和高能效性能应用越来越广泛。
由于矿用皮带机工况的特殊性，开关磁阻电机控制器必须进行防爆处理才能使用，防爆开关磁阻电机控制器，简单的来讲：
就是一台开关磁阻电机控制器装在防爆壳里，但对于皮带机专用防爆开关磁阻电机控制器，还需要采取一定的技术措施，满足皮带运输机特殊工况的使用需求。
散热是开关磁阻电机控制器遇到最大的难题。
在开关磁阻电机控制器内部：
逆变模块、整流模块、所发的热量约占整个变频器的95%，而剩下的5%则是电容、充电电阻、均压电阻以及印制板上的发热元件等所发生的热量。
皮带机专用防爆开关磁阻电机控制器总装配示意图如下：
多电机皮带机开关磁阻电机控制器功率平衡问题也是一个皮带机专用防爆开关磁阻电机控制器设计应该考虑的主要问题之一，开关磁阻电机皮带机系统的功率平衡，对于同轴连接的两台电机，采用主从控制，从控制器通过特殊的通讯方式从主控制器读取运行时的斩波值和角度值，不需要进行运算，直接按主控制器的计算结果控制运行，这样两台开关磁阻控制器输出完全相同的输出波形，两台电机转速和电流完全相同，因此功率平衡；与变频装置相同，对于软连接的两组电机的功率平衡，采用皮带机带头两电机平均电流，作为从开关磁阻电机控制器组的给定电流，从开关磁阻电机控制器通过微调转速，达到功率平衡。
开关磁阻电机控制器主电路示意图如下：
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