一、概述
煤矿工业作为产能大户，随着行业的系统化和规模化，近几年已经成为国家支柱产业之一。但由于设备陈旧，自动化程度低，我国煤矿开采仅在2005年即耗能5086.81×10△t标准煤,耗电376.04×108kW·h,分别占全国总耗能量和总耗电量的3.86%和3.49%。所以，煤炭工业既是产能大户,又是耗能大户，同时也是节能潜力大户。目前我国煤矿行业存在电机启动困难、机械损伤严重以及自动化程度低等问题都迫切需要利用变频技术进行节能降耗改造。据统计，按节电率30%计，采用变频调速技术年节电潜力至少为10×108～15×108kW·h。所以，利用变频技术对现有电机设备进行节能改造，是解决我国煤炭工业高消耗、低效益的主要措施。
刮板输送机是一种重要的矿山运输机械。由于它结构简单、使用寿命长，运转可靠性高、节能高效、输送距离长、密封性能好且维修方便，在冶金、建材、化工、火电、矿山等行业里广泛使用。
二、刮板输送机介绍
2.1 刮板输送机
利用固接在牵引链上的刮板在敞开的料槽中刮运散状物料的输送机。它由敞开料槽、牵引链、刮板、头部驱动链轮和尾部张紧链轮等组成。
图1：刮板机实物图
2.2 刮板输送机的分类
刮板输送机适用于煤层倾角不超过25度的采煤工作面，但对于兼作采煤机轨道与机组配合工作的刮板输送机，适用的煤层角度一般不超过10度。煤层倾角大时，要采用防滑措施。此外，在采煤工作面下顺槽和联络眼都可以使用刮板输送机运送煤炭。目前，采煤工作面多使用可弯曲刮板输送机，以适应自动化、综合机械化采煤的需要，与相应的采煤机、金属支架或自移式液压支架配套使用。
刮板输送机的电动机功率从7.5KW～2000KW输送能力从30t/h～6000t/h之间，常用的分类方式有以下几种：
(1)按牵引的条数和布置方式，可分为单中链、边双联和中双链及三链型刮板输送机。
(2)按溜槽的布置方式，可分为重叠式和并列式溜槽刮板输送机。
(3)按溜槽的结构，可分为开底式和封底式溜槽刮板输送机。
(4)按卸载方式，可分为端卸式和侧卸式刮板输送机。
(5)按功率大小，可分为轻型(单电动机额定功率轻型(P≤40kW)、中型(40kW
90kW) 。
2.3 刮板输送机的组成
刮板输送机是一种有挠性牵引机构的连续运输机械。溜槽是煤炭的承载机构，其牵引推运机构是绕过机头链轮和机尾链轮(或滚筒)而进行循环运动的无极闭合的刮板链。启动电动机，经液力联轴器、减速器传动链轮而驱动刮板链连续运转，将装在溜槽中的煤炭推运到机头处卸载转运。各种类型的刮板输送机的组成部件的型式和布置方式不完全相同，但主要结构和基本组成部件是相同的。刮板输送机一般是由机头部;机身部和机尾部三部分组成。
刮板输送机的组成部件：
1)机头部：由机头架和安装其上的链轮组件、联轴器、减速箱和电动机组成。
2)机尾部：机尾架、链轮组件、联轴器、减速箱、电动机。
3)机身部：中部槽、刮板链、铲煤板、挡煤板。
4)辅助装置：主要包括紧链装置、推移装置、和锚固定装置。
三、变频改造
3.1 项目信息
陕西某国营大型煤矿现场，刮板输送机的功率为1250kW，全天24小时不间歇运行。每台刮板输送机用两台同等功率、同等电压的电机驱动，这两台电机电压均为3.3kV，单台功率覆盖范围是160kW～1250kW;生产运行时要求同步启动两台电机，启动时间要求1～2分钟。
现需要两台变频器驱动两台电机带动负载刮板输送机。
3.2改造方案
图2：改造一次图
1)主回路：采用一拖一方案。此方案中，两台CM3000高压三电平变频分别驱动刮板机机头部和机尾部的电机。
2)控制回路：远程监控方案，可以实时监控两台CM3000高压三电平变频的运行情况;可以同时进行速度控制，启停控制以及参数修改等。
3)主从控制：是由完全独立的两台变频器通过主、从机的同步CAN总线通讯方式保证双电机的转速一致，功率平衡。两台电机中任意一台都可作为主机，另一台为从机。变频器对电机的转矩都能独立控制，主从变频器通讯采用CAN总线通讯，抗干扰能力强，通讯速率高。变频器采用主从控制方案，主机采用转速控制，从机采用转矩控制。主机通过CAN通讯实时采集从机电流信号、电压信号、频率信号，实时调整给从机的转矩信号，使主机和从机的功率达到完美的平衡。
4)水冷方案：去离子水通过水-水热交换方式与外部冷去水实现热交换，外部冷却水通过水泵驱动经水-风换热器或冷却塔实现热交换，最终将CM3000高压三电平变频壳体内部热量传递到外部环境中。内部去离子冷却水设有温度、压力、离子浓度与去离子水量保护功能。外部冷却水设有温度、压力与液位保护功能。
图3：水冷系统外围设备图
3.3运行性能
(1)CAN通讯
主机的CAN2+、CAN2-对应连接从机的CAN2+、CAN2-。下图为CM3000高压三电平变频运行时CAN通讯的波形。
图4：CAN通讯实时波形图
(2)实际的电流波形
测试相关波形的条件是主机用电流钳，从机用普通探头测的主板的IU测试点。刚开始调试时波形，其中CH1黄色—主机电流，CH2绿色—从机磁链反馈，CH3紫色—从机辨识速度，CH4红色—主机电流;
a)CM3000高压三电平变频启动波形。
图5：实时电流图
b)CM3000高压三电平变频停机时的波形。
图6：停机时波形图
3.CM3000高压三电平变频带载时运行波形。
图7：运行波形图
四、CM3000高压三电平变频的优势
4.1 磁链闭环矢量控制技术
图8：磁链闭环
◆原理及特点：基于电机d - q轴系数学方程，对电机的磁链、电流进行解耦控制，具有磁链、
电压闭环特点。
◆优势：控制精度高，转矩响应快，低频特性好。
◆效果：刮板机低速运行平稳，抱闸磨损小，冲击小。
4.2 三电平技术
图9：三电平拓扑图
◆原理：利用二极管中性点箝位的拓扑结构，使得每相输出具有三个电平。
◆优势：输出波形效果好，功率密度高，体积小。
◆效果：产品紧凑，谐波小，对外围设备无干扰。
4.3 先进的中点电位平衡控制技术
图10：中点控制比较
◆原理：通过检测直流母线及中点的电压进行实时调整，保证中点电位平衡。
◆优势：控制精度好，响应速度快。
◆效果：将中点电位波动控制在一定范围内。
4.4 多电机同步技术
图11： 电流波形图
◆技术特点：采用主从+下垂电机同步控制技术，确保多台电机负荷均衡分配。
◆优势：负荷均衡分配。
◆效果：对于多台电机驱动系统，可防止因电机负荷分配不均而造成电机损坏。
4.5 先进的控制硬件平台
◆技术特点：汇川技术CM3000高压三电平变频以高速浮点DSP为控制核心，采用高速
DSP+RAM+FPGA作为核心处理器，其谐波指标远小于IEE519-1992的谐波国家标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器。
◆优势：(1)运算速度更快，控制更精准。(2)飞车启动功能。能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接启动。(3)具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。CM3000高压三电平变频在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生。(4) 来电自启动及低电压穿越功能，当现场电压瞬间跌落或波动时、系统可保证瞬间失电不跳闸，且在失电后5个周期内变频器运行不受影响，超过5个周期变频器自动降额运行。该特点保证设备在电网波动的情况下，最大限度实现连续生产，从而提高系统的生产效率。
◆效果：不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以拖动普通的异步电机。
4.6 长寿命设计
◆采用薄膜电容设计的产品：薄膜电容的寿命是电解电容寿命的10倍;采用MTBF设计理念，整机寿命长;高容量及高电压等级确保最少的使用数量，故障率低，体积小 。
◆其他厂家现状：电解电容。
◆优势：寿命长，可靠性好，易维护。
4.7 易于维护
◆采用模块化设计理念：产品的驱动部分采用相同的桥臂模块设计，便于备件更换;系统拆装简单，现场可维护。
◆其他厂家现状：产品整体设计。
◆优势：现场容易维护。
4.8 水冷设计
◆系统采用水冷设计方案：开放式水冷结构; 可以采用普通水内循环或者普通水外循环两种方案，多种防止结露设计。
◆其他厂家现状：热管方案。
◆优势：热设计余量大，可靠性高。
五、结束语
CM3000高压三电平变频系列产品为苏州汇川技术有限公司自主研发的成熟产品，此次陕西某煤矿现场的良好运行，也有力证明了我公司的磁链闭环控制技术、中性点钳位三电平技术较同类厂家的控制方式更先进。投运一年多以来，高效率零故障，两电机转矩均分等良好的性能，已经赢得了用户的口碑。
苏州汇川技术有限公司专注于工业自动化控制产品的研发、生产和销售，定位服务于中高端设备制造商，以拥有自主知识产权的工业自动化控制技术为基础，以快速为客户提供个性化的解决方案为主要经营模式，实现企业价值与客户价值共同成长。汇川在全国拥有66个办事处，236家授权代理商，90家全国联保中心。欲进一步了解汇川，请访问 www.inovance.cn。
