0、引言
图1所示为胶带输送机的简单工艺图，主要包括胶带、驱动滚筒和减速机、托辊机架、张紧装置、驱动装置、制动装置、控制及保护装置等，如是物料输送系统，还应包括给料机、收尘器、溜槽、料库等。
一般理论认为，输送带由弹性单元组成，胶带输送机为柔粘性力学系统，具有明显的运动力学特征，在启动加速、停车减速及张力变化过程中均呈现出复杂的运动学特征，主要表现为横向振动、纵向振动以及动态张力波在胶带中的传播和叠加，造成输送系统的不稳定，具体表现为胶带断裂、机械损害、局部谐振跳带、叠带、撒料等。因此，选用合适的驱动设备控制胶带输送机的工作张力和启动、制动加速度，优化胶带输送机的运行工况，对于有效延长其使用寿命、保证胶带输送机安全稳定地运行、保障煤炭生产具有重要的意义。
神华能源股份有限公司原有的带式输送机一般采用CST、调速型液力偶合器等机械和液压方式驱动设备，存在着效率低、维护复杂、工作环境差、不能调速运行、非线性、启动电流大等缺陷，而且由于启动加速度大，导致胶带持续波动、张力特性较差，无法对长距离输送的动态优化和安全启动提供有效的保证。
随着电力电子技术的发展，变频技术在近20年得到了飞速的发展，获得了广泛的应用。变频器应用于输送机类恒转矩负载的调速驱动过程，优化了胶带输送机的启停特性，具有启动冲击小、可靠性高、调速范围宽、节能等特点。神华能源股份有限公司通过分析比较，采用了变频器取代原有的CST、液力偶合器，对带式输送机的驱动进行改造，取得了较好的经济效益。
1、变频器简介
把直流电转换为交流电的装置被称为逆变器，而把直流电源逆变为频率、电压均可调的逆变器即为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要用于三相异步电动机的速度调整，故又被叫做变频调速器。目前所使用的变频器通常采用交一直一交变频方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源供给异步电动机。
1.1变频调速原理
变频调速原理基于电动机的转速公式：
由式(1)可见，电动机的旋转速度主要取决于电动机的磁极对数和电源频率。由电动机的工作原理可知，电动机的磁极对数通常是固定不变的。因此，改变电动机供电电源的频率就可以自由地控制电动机的旋转速度。
在异步电动机恒转矩变频调速系统中，随着变频器输出频率的变化，必须相应地调节其输出电压，这是由三相异步电动机本身的功率关系决定的。如果仅改变频率而不调整输出电压，电动机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电动机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须同时改变电压。例如，为了使电动机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60 Hz改变到30 Hz，这时变频器的输出电压就必须从400 V改变到约200 V。
1.2变频控制原理
目前变频器所采用的变频控制技术通常为
PWM脉冲宽度调制技术和矢量控制技术。
1.2.1 PWM变频控制原理
PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制技术，现以PWM中最常用的SPWM正弦波脉冲宽度调制技术为例说明PWM变频控制的原理。
SPWM是指按正弦波规律调制输出电压中各脉冲宽度，使其平均值为正弦波，输出波形如图2所示。SPWM含载频信号和基准信号，载频信号为等腰三角波，基准信号为正弦波。通过正弦波与三角波相交的方法，确定各分段矩形脉冲的宽度。由于三角波相邻两腰间的宽度随其高线性变化，故任一条不超过可调制范围的光滑曲线与三角波相交时，都会得到一组等幅、等矩、脉冲宽度正比于该曲线值的矩形脉冲。用正弦波为基准信号时，可获脉宽与正弦波值对应的矩形脉冲序列。该脉冲序列信号用于逆变器电子开关的开通与关断控制时，改变正弦波基准信号的幅值和频率，即可相应地改变逆变器的输出电压与频率。
1.2.2矢量控制原理
矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机的定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流），分别加以控制，并同时控制2个分量的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。
矢量控制可调整变频器的输出电压，使电动机的输出转矩和电压的平方成正比地增加，从而改善电动机的输出转矩。使用“矢量控制”，可以使电动机在低速时的输出转矩达到额定转矩。
1.3变频器构成
本文中应用的变频器是12脉冲三电平PWM电压源型变频器，其电路可分为主回路（给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分）和控制回路（给主回路提供控制信号的回路）。本文主要介绍变频器的主回路。
主回路由整流、中间直流环节、逆变3个部分组成，如图3所示。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，其输出为PWM波形，中间直流环节完成滤波、直流储能和缓冲无功功率等功能。
整流部分：使用二极管整流，它把工频交流电转换成直流电。
直流环节；在整流部分整流后的直流电压中，含有电源倍频（主要是11和13倍）的脉动电压，此外逆变部分产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电容器吸收此脉动电压。
逆变部分：是将直流电转换为所要求频率的交流电，在所规定的时间内使12个IGBT元件导通、关断，就可以得到三相交流输出。
2、变频器在矿井胶带机输送系统中的应用
2.1 中压变频器的应用实例
变频器在神华能源股份有限公司某主斜井胶带机输送系统中的调速驱动原理如图4所示。
驱动系统采用西门子Simovert MV系列2 300 V中压变频器，并采用罗克韦尔的PLC作为主从控制器，通过PROFIBUS- DP连接协调各驱动器之间的控制关系。，
根据现场工艺的要求，3套变频器实现主从控制，即二次电动机设定为主传动（将参数P242恒定值设定为O），工作在闭环速度控制模式，即跟随1#电动机的速度，并且1#电动机的实际转矩给其作为转矩限幅。一次侧2台同轴驱动的电动机中，1#设定为主传动（将参数P242恒定值设定为1），2#设定为从驱动，工作在闭环转矩控制即跟随1#主驱动的转矩。主传动为闭环速度控制模式，从传动则为闭环力矩控制模式，当二次电动机的速度达不到给定速度时，速度环饱和，这时电流环起作用，二次电动机的转矩跟随1#主电动机的转矩。主从传动之间通过适当的通信连接并合理地设置变频器的参数，实现变频器之间的负荷分配。
当主传动进行维护或出现故障时，通过变频器间的控制联锁，其中1台从传动变频器自动升为主传动（参数P242自动置O），以确保传输带仍能在降负荷下工作。
图5所示为变频器调速驱动系统所实现的胶带输送机启动和停车时的优化“S”形特性曲线。胶带机的启动过程：由主从控制器PLC作为给定函数发生器，给出优化“S”型曲线作为变频器主驱动的速度给定信号，同时主驱动接收来自电动机轴编码器的脉冲信号作为速度负反馈信号。主传动速度输出将跟随“S”型给定曲线上升，而主传动输出转矩控制信号给从驱动，实现电流调节和功率平衡。停车过程类似上述启动过程：胶带卸料完毕，发出正常停车指令，“S”型曲线开始下降，由变频器控制软停车过程。当速度降低到允许机械抱闸时，各驱动装置断电停车。
2.2应用注意事项
(1)电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源输入回路返回到电网，从而影响其它受电设备。应根据变频器的容量大小决定是否需要加电抗器。
(2)滤波器安装在变频器的输出端，为了减少变频器输出中的高次谐波。当变频器与电动机的距离较远时，应该安装滤波器。
(3)变频器具有各种保护功能，但它在缺相保护方面并不完美。断路器可在主回路中起到过载、缺相等保护作用，变频器选型时可按照变频器的容量选择使用断路器。变频器自身所带的过载保护可代替热继电器保护。
(4)应考虑散热问题。变频器的故障率随温度升高而成指数地上升，使用寿命随温度升高而成指数地下降。环境温度如升高10℃，变频器使用寿命就会减半。本文中应用的变频器是风冷型变频器，其冷却风扇的正常运行是变频器正常运行的保障。
2.3变频调速与传统驱动性能的比较
传统上，煤矿胶带机多采用液力偶合器传动。随着电力电子技术的发展，变频器（尤其是大功率变频器）的应用得到了高速发展。根据运行实践，笔者认为胶带输送机采用变频调速系统与其它传统驱动系统比较具有不可比拟的优势：
(1) PWM调制实现调频调幅同步，保证了设备的安全，并有效地抑制了谐波和噪声。
(2)虽然胶带机属于恒转矩负荷，其变频节能效果不如平方转矩负载的风机、泵类好，但由于煤矿生产的特殊性，胶带机满载的时间较短，故其调速节能效果还是较明显的。根据实测，采用变频调速系统后，电耗较恒速运行方式下降20%以上。
(3)变频调速能降低胶带机启动时的动张力，延长胶带寿命，减少转动部件（滚筒、托辊等）的旋转次数，减少磨损，相应地增加胶带机的服务年限。
(4)变频器还有故障率低、开机率高、维护量小且维修快捷、降低维护人员的工作强度等优点。
3、结语
变频器在神华能源股份有限公司胶带输送工程中的应用已有1年，运行结果表明：采用变频器调速驱动的胶带机输送系统具有运行稳定、可靠性高、程序修改灵活、操作方便等特点，为矿井生产长期稳定地运行起到了非常重要的作用。
图1所示为胶带输送机的简单工艺图，主要包括胶带、驱动滚筒和减速机、托辊机架、张紧装置、驱动装置、制动装置、控制及保护装置等，如是物料输送系统，还应包括给料机、收尘器、溜槽、料库等。
一般理论认为，输送带由弹性单元组成，胶带输送机为柔粘性力学系统，具有明显的运动力学特征，在启动加速、停车减速及张力变化过程中均呈现出复杂的运动学特征，主要表现为横向振动、纵向振动以及动态张力波在胶带中的传播和叠加，造成输送系统的不稳定，具体表现为胶带断裂、机械损害、局部谐振跳带、叠带、撒料等。因此，选用合适的驱动设备控制胶带输送机的工作张力和启动、制动加速度，优化胶带输送机的运行工况，对于有效延长其使用寿命、保证胶带输送机安全稳定地运行、保障煤炭生产具有重要的意义。
神华能源股份有限公司原有的带式输送机一般采用CST、调速型液力偶合器等机械和液压方式驱动设备，存在着效率低、维护复杂、工作环境差、不能调速运行、非线性、启动电流大等缺陷，而且由于启动加速度大，导致胶带持续波动、张力特性较差，无法对长距离输送的动态优化和安全启动提供有效的保证。
随着电力电子技术的发展，变频技术在近20年得到了飞速的发展，获得了广泛的应用。变频器应用于输送机类恒转矩负载的调速驱动过程，优化了胶带输送机的启停特性，具有启动冲击小、可靠性高、调速范围宽、节能等特点。神华能源股份有限公司通过分析比较，采用了变频器取代原有的CST、液力偶合器，对带式输送机的驱动进行改造，取得了较好的经济效益。
1、变频器简介
把直流电转换为交流电的装置被称为逆变器，而把直流电源逆变为频率、电压均可调的逆变器即为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要用于三相异步电动机的速度调整，故又被叫做变频调速器。目前所使用的变频器通常采用交一直一交变频方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源供给异步电动机。
1.1变频调速原理
变频调速原理基于电动机的转速公式：
由式(1)可见，电动机的旋转速度主要取决于电动机的磁极对数和电源频率。由电动机的工作原理可知，电动机的磁极对数通常是固定不变的。因此，改变电动机供电电源的频率就可以自由地控制电动机的旋转速度。
在异步电动机恒转矩变频调速系统中，随着变频器输出频率的变化，必须相应地调节其输出电压，这是由三相异步电动机本身的功率关系决定的。如果仅改变频率而不调整输出电压，电动机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电动机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须同时改变电压。例如，为了使电动机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60 Hz改变到30 Hz，这时变频器的输出电压就必须从400 V改变到约200 V。
1.2变频控制原理
目前变频器所采用的变频控制技术通常为
PWM脉冲宽度调制技术和矢量控制技术。
1.2.1 PWM变频控制原理
PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制技术，现以PWM中最常用的SPWM正弦波脉冲宽度调制技术为例说明PWM变频控制的原理。
SPWM是指按正弦波规律调制输出电压中各脉冲宽度，使其平均值为正弦波，输出波形如图2所示。SPWM含载频信号和基准信号，载频信号为等腰三角波，基准信号为正弦波。通过正弦波与三角波相交的方法，确定各分段矩形脉冲的宽度。由于三角波相邻两腰间的宽度随其高线性变化，故任一条不超过可调制范围的光滑曲线与三角波相交时，都会得到一组等幅、等矩、脉冲宽度正比于该曲线值的矩形脉冲。用正弦波为基准信号时，可获脉宽与正弦波值对应的矩形脉冲序列。该脉冲序列信号用于逆变器电子开关的开通与关断控制时，改变正弦波基准信号的幅值和频率，即可相应地改变逆变器的输出电压与频率。
1.2.2矢量控制原理
矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机的定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流），分别加以控制，并同时控制2个分量的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。
矢量控制可调整变频器的输出电压，使电动机的输出转矩和电压的平方成正比地增加，从而改善电动机的输出转矩。使用“矢量控制”，可以使电动机在低速时的输出转矩达到额定转矩。
1.3变频器构成
本文中应用的变频器是12脉冲三电平PWM电压源型变频器，其电路可分为主回路（给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分）和控制回路（给主回路提供控制信号的回路）。本文主要介绍变频器的主回路。
主回路由整流、中间直流环节、逆变3个部分组成，如图3所示。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，其输出为PWM波形，中间直流环节完成滤波、直流储能和缓冲无功功率等功能。
整流部分：使用二极管整流，它把工频交流电转换成直流电。
直流环节；在整流部分整流后的直流电压中，含有电源倍频（主要是11和13倍）的脉动电压，此外逆变部分产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电容器吸收此脉动电压。
逆变部分：是将直流电转换为所要求频率的交流电，在所规定的时间内使12个IGBT元件导通、关断，就可以得到三相交流输出。
2、变频器在矿井胶带机输送系统中的应用
2.1 中压变频器的应用实例
变频器在神华能源股份有限公司某主斜井胶带机输送系统中的调速驱动原理如图4所示。
驱动系统采用西门子Simovert MV系列2 300 V中压变频器，并采用罗克韦尔的PLC作为主从控制器，通过PROFIBUS- DP连接协调各驱动器之间的控制关系。，
根据现场工艺的要求，3套变频器实现主从控制，即二次电动机设定为主传动（将参数P242恒定值设定为O），工作在闭环速度控制模式，即跟随1#电动机的速度，并且1#电动机的实际转矩给其作为转矩限幅。一次侧2台同轴驱动的电动机中，1#设定为主传动（将参数P242恒定值设定为1），2#设定为从驱动，工作在闭环转矩控制即跟随1#主驱动的转矩。主传动为闭环速度控制模式，从传动则为闭环力矩控制模式，当二次电动机的速度达不到给定速度时，速度环饱和，这时电流环起作用，二次电动机的转矩跟随1#主电动机的转矩。主从传动之间通过适当的通信连接并合理地设置变频器的参数，实现变频器之间的负荷分配。
当主传动进行维护或出现故障时，通过变频器间的控制联锁，其中1台从传动变频器自动升为主传动（参数P242自动置O），以确保传输带仍能在降负荷下工作。
图5所示为变频器调速驱动系统所实现的胶带输送机启动和停车时的优化“S”形特性曲线。胶带机的启动过程：由主从控制器PLC作为给定函数发生器，给出优化“S”型曲线作为变频器主驱动的速度给定信号，同时主驱动接收来自电动机轴编码器的脉冲信号作为速度负反馈信号。主传动速度输出将跟随“S”型给定曲线上升，而主传动输出转矩控制信号给从驱动，实现电流调节和功率平衡。停车过程类似上述启动过程：胶带卸料完毕，发出正常停车指令，“S”型曲线开始下降，由变频器控制软停车过程。当速度降低到允许机械抱闸时，各驱动装置断电停车。
2.2应用注意事项
(1)电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源输入回路返回到电网，从而影响其它受电设备。应根据变频器的容量大小决定是否需要加电抗器。
(2)滤波器安装在变频器的输出端，为了减少变频器输出中的高次谐波。当变频器与电动机的距离较远时，应该安装滤波器。
(3)变频器具有各种保护功能，但它在缺相保护方面并不完美。断路器可在主回路中起到过载、缺相等保护作用，变频器选型时可按照变频器的容量选择使用断路器。变频器自身所带的过载保护可代替热继电器保护。
(4)应考虑散热问题。变频器的故障率随温度升高而成指数地上升，使用寿命随温度升高而成指数地下降。环境温度如升高10℃，变频器使用寿命就会减半。本文中应用的变频器是风冷型变频器，其冷却风扇的正常运行是变频器正常运行的保障。
2.3变频调速与传统驱动性能的比较
传统上，煤矿胶带机多采用液力偶合器传动。随着电力电子技术的发展，变频器（尤其是大功率变频器）的应用得到了高速发展。根据运行实践，笔者认为胶带输送机采用变频调速系统与其它传统驱动系统比较具有不可比拟的优势：
(1) PWM调制实现调频调幅同步，保证了设备的安全，并有效地抑制了谐波和噪声。
(2)虽然胶带机属于恒转矩负荷，其变频节能效果不如平方转矩负载的风机、泵类好，但由于煤矿生产的特殊性，胶带机满载的时间较短，故其调速节能效果还是较明显的。根据实测，采用变频调速系统后，电耗较恒速运行方式下降20%以上。
(3)变频调速能降低胶带机启动时的动张力，延长胶带寿命，减少转动部件（滚筒、托辊等）的旋转次数，减少磨损，相应地增加胶带机的服务年限。
(4)变频器还有故障率低、开机率高、维护量小且维修快捷、降低维护人员的工作强度等优点。
3、结语
变频器在神华能源股份有限公司胶带输送工程中的应用已有1年，运行结果表明：采用变频器调速驱动的胶带机输送系统具有运行稳定、可靠性高、程序修改灵活、操作方便等特点，为矿井生产长期稳定地运行起到了非常重要的作用。
