摘要:皮带机输送系统采用先进的变频驱动技术，是传统码头装卸设备向高科技、节能化发展的成功尝试。详细介绍了上海港罗泾二期矿石码头皮带输送系统采用变频驱动的方案。对变频驱动与高压直接驱动的优劣进行了对比，提出运用变频器要注意的相关问题。
关键词:上海港 皮带输送系统 变频 驱动 运用
1.变频驱动技术的沿革
1.1电气传动控制系统
电机控制的任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。
电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动控制系统涉及电机学，电力电子技术，微电子技术，计算机控制技术，信号检测与处理技术，控制理论等多个系统。其中，电动机的结构和原理决定了电气传动控制系统的设计方法和运行性能。
电力电子技术是以电力电子器件为基础的功率放大与变换装置是弱电控制强电的媒介，在电气传动控制系统中作为电动机的可控电源，其输出电源质量直接影响电气传动控制系统的运行状态和性能。
微电子技术:高速、大内存容量、多功能的微处理器或单片微机的问世，使各种复杂的控制算法在运动控制系统中的应用成为可能，并大大提高了控制精度。
计算机控制技术:使对象参数辨识、控制系统的参数自整定和自学习、智能控制、故障诊断等成为可能。同时大大提高了运动控制系统的智能化和系统的可靠性;通过按给定指标寻优进行计算机辅助设计，已成为运动控制系统常用的分析和设计工具。
信号检测与处理技术:主要通过传感器实时检测系统的运行状态，构成反馈控制，并进行故障分析和故障保护。对实际检测的信号进行滤波等处理，提高系统的抗干扰能力。
控制理论，变频器是电气传动控制系统的理论基础，为研究和设计各种新型的传动控制系统提供了理论依据。
1.2系统组成，见图1。
1.2.1电动机及负载
1)控制对象为电动机。
2)从电动机类型上可分为直流电动机、交流感应电动机(又称作交流异步电动机)和交流同步电动机。
3)从用途上可分为用于调速系统的驱动电动机和用于伺服系统的伺服电动机功率放大与变换装置。
4)有电机型、电磁型、电力电子型等，现在多用电力电子型的。
5)晶闸管(SCR)是第一代电力电子器件的典型代表，属于半控型器件。
6)第二代电力电子器件是全控型器件，通过门极既可以使器件开通，也可以使它关断，例如GTO，BJT，IGBT等。
7)第三代电力电子器件特点是由单一器件发展为具有驱动、保护等功能的复合功率模块。
1.2.2控制器
1)分模拟控制器和数字控制器两类。
2)模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，通用性差，所有运算能在同一时刻并行运行，控制器的滞后时间很小，可以忽略不计。
3)数字控制器的硬件电路标准化程度高、制作成本低、而且不受器件温度漂移的影响。属串行运行方式，其滞后时间比模拟控制器大得多。
1.2.3信号检测与处理
1)常用反馈信号是电压、电流、转速和位置。
2)包括电压匹配、极性转换、脉冲整形等。
3)从带有随机扰动的信号中筛选出反映被测量的真实信号。
1.3电气传动各种高水平的控制方法
基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等;基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解祸、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等;基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种自优化、自诊断技术等。
1.4电气传动分类
电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。
近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动面临着一场技术革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
2.工程概述
上海港罗泾二期工程位于长江口商支河段南岸、上海市宝山区罗泾地区境内，隔江与崇明岛相望，距吴淤口约17km。罗泾港区二期工程设计年吞吐量为3780万t/a包括矿石、煤炭和钢杂码头。整个港区用电电压等级分为I0kV、0.69kV和0.38kV。整个港区补偿后的功率因数COSj 0.9。其中大型装卸机械用电电压等级为10kV;皮带机驱动电压为690V。
矿石码头带式输送机总长度约22km，流程全部采用变频驱动。在国外，大型皮带输送机驱动电机使用变频器已经有许多成功案例(如德国褐煤1998年，智利铜矿2004年等)，但在国内港口的应用才刚刚起步。国内只有天津港、秦皇岛港部分带式输送机采用变频驱动控制，上海罗泾矿石码头大规模的皮带机全系统采用低压变频驱动控制，在国内尚属首次。
罗泾二期矿石码头传输物料种类多，生产工艺必须适应钢厂物料精细配送运输要求，共配置42台带式输送机(58台驱动电机，电机总容量1.64万kW)，工艺流程多达四大类共31个，可同时运行8个流程(2个矿石卸船、1个辅料卸船、3个装船、2个去钢厂)。多带式输送机、多驱动电机、多电机容量种类、生产工况复杂、流程起停频繁、用电负荷巨大是罗泾矿石港区的特点。
卸船皮带能力:4200t/h，带宽1.6m，带速3.15m/h;
装船皮带能力:2100t/h，带宽1.4m，带速2.5m/h;
辅料卸船皮带及配送能力:800t/h，带宽1m，带速2.5m/h;1500t/h，带宽1.2m，带速2.0m/h;
3.变频驱动系统
3.1变频器分布
罗泾矿石码头42台带式输送机(58台驱动电机)全部采用690V低压变频调速装置驱动，变频器采用矢量控制。
带式输送机布局及驱动分布见图2。
3.2用于带式输送机的变频驱动控制系统
整个罗泾矿石码头每条带式输送机根据设计与工艺要求配置为单点驱动或多点驱动，而每一驱动点设置单驱动装置或主-从式多驱动装置。每套驱动装置包括以下主要内容:变频变压器、690V低压变频器、三相异步电机及相关选件等。控制与通讯系统采用现场总线接口，驱动系统采用690V低压变频调速装置及变频电机。各驱动点最终通过工业光纤连接成完整的驱动控制系统，实现输送系统逻辑控制运行要求。
3.3系统总体方案
罗泾矿石码头42条皮带机中，有7条皮带机是可逆皮带机，为头尾部各一台驱动方式，其他带式机均为头部1台或2台驱动方式。变频驱动系统对每一个驱动点的电机进行控制与保护。
3.4低压变频驱动系统
对于码头带式输送机，单机功率为45kW～ 630kW，采用690V低压变频驱动系统，通过系统参数设置，可指定某驱动装置为主驱动或从驱动方式。主要驱动由双绕组变压器和变频器组成，变频器功率因数约等于1。
3.4.1变频变压器
变频器是通过变频变压器与电网连接，只需一个双绕组变压器。
对于每条皮带机，通过对所对应的变频变压器的矢量组的优化组合，使得变频器对电网的谐波影响最小。每一区域通常配置2台或2台以上双绕组变频变压器，配置为10kV 2 * 2.5%/700V2500kVA Dyn-116%与10kV + 2 * 2.5%/700V2500kVA Dd-126%，给本区域的3台至5台变频器和电机供电。变压器裕度不小于1.4。系统共配置12台2500kVA 10kV/700V变压器。
驱动系统(变频器和电机)通过此变压器与电网隔离开，见图3。
3.5变频器
58台变频器全部选用SIEMENS SIMOVERT MD6SE71系列产品，作为标准配置，变频器的功率部分包括:
*6脉冲配置的晶闸管整流器
*具有电容器的直流环节
*3相逆变桥
Siemens变频器性能:
*PWM(脉宽调制)技术:负载侧逆变器需要PWM(脉宽调制)技术以便提供正弦输出和依电机所需转速提供频率控制。逆变器部分的控制是通过控制给每个IGBT功率元件的触发信号来实现的。根据事先准备好的减少谐波影响的脉冲波形，逆变器可向电机提供良好的输出波形，特别是低转速时的平滑转矩性能。
*矢量控制技术:使用矢量控制技术(由西门子开发并完善)，AC调速的范围与动态响应可与DC调速相比拟甚至超过DC的性能，它的获得主要是将电机的转矩电流与励磁电流进行分离和单独控制。
3.6变频电机
普通定速电机在设计上只考虑了额定运行点的最佳效率及功率因素，而在全调速频域内无法达到令人满意的调速精度和综合品质因素。
长距离皮带输送机通常要求高性能的驱动以满足重载起动、动态张力控制、速度同步及功率平衡、低速验带等工况要求，因此要求变频调速装置的输出具有高精度及高动态特性，所以均广泛采用IGBT电压源型变频器及变频电机;
变频电机同时还考虑了高次谐波及dv/dt对绝缘的影响，以及高/低频轴电流的影响。
因此，无论从技术安全角度还是经济角度来看，在采用电压源变频器的同时，罗矿公司42条皮带机都采用相应配套的SIEMENS变频电机是必要且最佳的选择。
4.变频驱动与高压直接驱动的优劣对比
传动输送皮带采用10kV交流电动机直接启动是中大功率电动机长距离配电和控制最传统的方式，采用单台高压开关柜控制单台高压电机与变频控制相比，高压配电控制方式设备构成简单，控制系统投资少，后期维修简便，系统维护人员技术要求低。
罗泾矿石码头结合码头工艺特点采用全变频驱动控制系统控制皮带输送机与10kV高压交流电机直接启动方案相比，具有以下显著优点:
1)变频驱动效率高。使用变频调速装置来取代机械的调速方式，特别是在变转矩应用场合，他的最大好处是节能，这是一个无可争议的事实。与高压直接驱动定速电机的过程相比，变速驱动系统仅从电网中吸取必要的及满足输出所需的功率。特别是在流量或输出较低的情况下，即部分负荷或低负荷的情况下，节能效率明显提高。
2)软启动能力/延长电机寿命，避免电网冲击。高压直接启动定速电机，经验告诉我们会有一个高于额定电流6倍以上的浪涌启动电流。这个电流中的一部分在电机内部以有害的热能形式散发。另一方面，供电系统也会面临问题，特别是电网较弱的情况下，它会造成较大压降。根据不同的应用场合，变频器的控制功能可以将启动电流限制在电机的额定电流甚至额定电流以下的任何电流值，这样便可以降低对电机及电网的压力。启动/停机运行稳定受控，能有效抑制启动和停机过程对机械设备和电气设备的危害性冲击，降低设备使用维护成本。
3)变频驱动系统能自动控制电机启动过程电流，降低总配电难度。实时自动检测驱动电机的故障隐患，极大提高皮带输送机驱动系统的稳定性和可靠性。
4)皮带输送机的闭环力矩控制:对于恒转矩传动系统，采用DTC技术或每台电动机使用一个1024脉冲或更高分辨率的增量型脉冲编码器，结合闭环力矩控制技术，以获得最高的动态特性和速度精度。变频器采用先进的控制方式，能够精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩。
5)功率平衡和速度同步好，工作损耗低，低速运行稳定，多机同步驱动容易实现。实际的功率平衡和速度同步是长皮带输送机现场所需的关键技术，而机械和液压驱动系统往往难以实现。
6)功率因数高，无须配置大容量无功功率补偿设备;同时减少使用43套高压开关柜，降低了总配电成本。
7)取消机械附属设备 液力祸合器，降低机械设备成本，并可有效避免机械共振。
8)设备容量配置满足重载启动要求，设备使用可靠性高，维护方便，寿命长。
9)系统设备主要由高压开关、变压器、变频器、交流变频电机构成，设备生产商多，可选用的品牌多，设备生产制造和售后服务标准化程度高。
10)满足罗泾特殊工艺向钢厂精细配送要求。对浦钢炼铁厂直接输送配送矿石原料，输送工艺特性是:多品种(22种)、多批次(27次/d)、小运量(4.57min/次 46min/次)，流量动态变化(400t/h 1200t/h)大。如果使用传统的10kV电机直接启动驱动控制方式，电气设备特性要求不允许15min内停机再启动，为此而产生的相关皮带输送工艺流程机械和电气设备的空载运行率很高，电能浪费很大。而变频控制系统所具有的灵活启动/停机功能。为保证罗泾矿石码头向浦钢精细配送矿石原料工艺流程、以及在装船输送工艺流程和卸船清仓流程的合理、稳定、顺行操作及极大降低生产用电损耗，降低生产运行成本成为可能。实现系统的高效启/停控制和调速运行，具有机械和液压调速方式不可比拟的优势。通过精确的驱动数学模型实现优化的动态驱动过程，可调速度运行及验带。由此可降低机械和皮带的投资，并有效延长转动部件如齿轮箱、托车昆、滚筒的使用寿命，保护输送系统的安全。
变频驱动系统应用于长距离输送机恒转矩负载的高性能调速驱动过程，在轻载及重载工况下，均能有效控制带式输送机柔性负载的软起动/软停车动态过程，实现各带式机的驱动点之间的功率平衡和速度同步，并提高可调验带速度，由此降低快速起动/快速停车过程对机械和电气系统的冲击，避免撒料与叠带，有效抑制带式输送机动态张力波可能对带式和机械设备造成的危害，延长输送机使用寿命，增加输送机系统的安全性和可靠性，并且在降低负载时实现节能。
11)易与目前PLC控制设备相结合
(1)根据现场控制系统的实际情况，变频器与现有控制系统的通讯可通过变频器配置的I/O口、设备总线及通讯口来实现。
(2)多机驱动变频器自成系统，在调试过程中，变频器将被设置成主/从控制，以便实现变频器之间的转速同步、负荷分配以及变频器的重载启动。控制系统只需与主驱动装置相连。
(3)为了优化皮带机的启动和停车特性，驱动系统采用优化的S形曲线启动，使皮带机启动更平稳;同时，皮带机停车过程将通过变频器可控停车。图4为现场实测优化 S 型曲线示波图。
5.皮带机的变频驱动控制方式
根据工艺要求，功率测算，控制方式有三种:单端单驱，单端双驱，双端双驱。
5.1单端单驱
1台西门子的6SE71变频柜驱动1台马达。部分单端单驱不带码盘。若带码盘，若马达安装距离超过编码器能力长度要求时，加装SBP板连接码盘信号，见图5。
变频器状态如运行，电压，电流等通过DP传到中控系统。
5.2单端双驱
2台6SE71变频柜驱动2台马达，2台驱动间用SIMOLINK通讯完成主从同步控制。实现转速同步、负荷分配以及变频器的重载启动。所有单端双驱带码盘，若马达安装距离超过编码器能力长度要求时，加装SBP板连接码盘信号。变频器状态如运行，电压，电流等通过DP传到中控系统。控制系统只需与主驱动装置相连，从变频器状态先通过SIMOLINK传到主变频器，和主变频器数据一起传送到中控系统，见图6。
5.3双端双驱
2台6SE71变频柜驱动2台马达，2台驱动间用DP光缆通讯完成主从同步控制。所有双端双驱带码盘，若马达安装距离超过编码器能力长度要求时，加装SBP板连接码盘信号。变频器状态如运行，电压，电流等通过CP342-5DP总线传到中控系统。就地SIEMENS PLC通过就地DP网络完成主变频器和从变频同步控制和与中控系统的数据交换。实现转速同步、负荷分配以及变频器的重载启动，见图7。
6.运用变频器相关问题
6.1谐波污染
由于带式输送机全部采用变频驱动，变频器中使用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件，变频驱动会产生谐波污染，其产生的谐波对电网将产生干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量。高次谐波还会引起电动机定子铜耗、铁耗增加。故变电站在设计中采取相应必要措施。
变频器的输出部分一般采用的是IGBT等开关器件，在输出能量的同时将在输出线上产生较强的辐射干扰，影响周边电器的正常工作。从国外有关谐波的标准来看，单次电压的畸变率在3% 6%，总电压的畸变率在5% 8%的范围内才可以接受的。
根据预测分析和调研，针对罗泾矿石码头具体情况，在整个港区供电系统的设计中对谐波处理和功率因数补偿方面采取了以下处理措施:
1)分析谐波源主要产生的根源和存在量，在设计选型时给予尽量消除。
根据预测分析，谐波产生的最大根源是690V变频驱动的带式输送机，并根据模拟仿真有了初步的量化预测。故在设计中对带式输送机的变、配电进行了相应处理，利用变压器联结组别相位差抵消谐波。根据要求，分别选用D，yn11和D，d0不同组别的变压器组合，通过变压器的接法使反馈到10kV侧的谐波电流及谐波电压值降至最低。在变、配电系统中针对690V变频驱动的带式输送机运行的流程对配电进行组合优化，使之做到(1)变压器二次侧两段母线所带负荷尽量相同;(2)两段不同母线负荷同时运行的几率最大;(3)变压器相角差30 (4)变压器的容量相同;变压器的阻抗相同。
选用不同的变压器组别，利用相位关系抵消谐波外，还选用标准的晶闸管6脉冲配置的变频驱动设备与变压器组合，构成了虚拟12脉冲配置。#2变电所、#2B变电所、#3变电所和#4变电所共设置12台容量匹配、组别不同的10kV/0.69kV整流变压器，使得变频驱动设备对电网的谐波影响达到最小。变频器是通过变频变压器与电网连接，采用不共地方案低压驱动系统(变频驱动控制设备和电机)通过变压器与10kV电网隔离开，隔离谐波对上一级电网的影响。
2)皮带机电动机驱动变频器自带补偿措施，功率因数COSj 0.9。其硬件上有配置:快速熔断器、交流进线电抗器、6脉冲整流器、输出侧内置du/dt滤波器、EMC滤波器和共模滤波器等保护和谐波滤除部件。
3)考虑到理论测算与实际发生可能会产生一定的误差，在各690V配电室预留滤波器柜位置，根据系统运行中的实际测量值配置相应的谐波处理装置。
4)罗泾二期港区总体设计中还考虑在变电所进行低压补偿。补偿方案是采取目前具有技术优势的无触点式动态无功补偿装置，实时跟踪补偿无功功率，其动态响应非常快，响应时间 20ms。采用光电触发技术，过零投切，补偿过程无投切冲击、不产生涌流、动态抑制系统谐波，最大限度地延长电容器使用寿命，实现一次系统和二次系统隔离，解决干扰问题，保证触发精度。补偿后COSj 0.9；
6.2变频器的散热问题
变频器的故障率随温度的升高而高，成指数上升，使用寿命随温度升高而成指数下降，环境温度升高10℃，变频器使用寿命减半。正确地使用变频器，必须认真地考虑散热问题。
上海港罗泾矿石码头采用智能节能型变频房温度控制技术，开发一套变频房远程温度实时动态监控系统，在变频房内安装了温感设备，并在空调机控制板上加装远程控制装置，利用通讯手段将变频房内的温度实时传递到中控，在控制室上位机的画面上动态反映。一旦温度超出280，上位机画面报警，中控人员可以直接远程启动空调设备。
7.结束语
结合上海港罗泾矿石码头工艺的特殊要求，其自身技术能力和管理水平，得益于电气传动设备变频和控制技术的高速发展，罗泾矿石码头皮带输送系统全部采用变频器驱动方法这种先进技术，从整个变频驱动运行情况来看，皮带同步起动、停效果明显，运行平稳。随着变频技术应用范围的扩大，利用PLC技术进行控制，必将更好地提高传动系统对速度控制的可靠性与灵活性，同时也是传统码头装卸设备向高科技，节能化发展的大胆创新成功尝试。