文章编号：140612

苏州汇川技术有限公司　

摘要：本文着重介绍了苏州汇川技术有限公司CM3000高压三电平变频系列产品在陕西某煤矿现场的应用，有力证明了苏州汇川技术有限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。

汇川CM3000高压三电平产品在煤矿刮板输送机上的应用

1 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

图1 乱扳机实物图

图3 水冷系统外围设备图 图2 改造第一次图

The application of CM3000 High voltage three-level inverter products in the coal mine scraper conveyor

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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。

2 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。刮板机实物图如图1所示。

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＜P

≤90kW)、重型(P＞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

图4 CAN通讯实时波形图 图5 实时电流图

图6 停机时波形图 图7 电流波形图

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交流传动 CD技术与应用AC DRIVE

置、和锚固定装置。

3 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 改造方案改造一次如图2所示。

（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。水冷系统外

围设备如图3所示。

3.3运行性能（1）CAN通讯

主机的CAN2+、CAN2-对应连接从机的

CAN2+、CAN2-。图4所示为CM3000高压三电

平变频运行时CAN通讯的波形。

（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。实

时电流如图5所示。

（b）CM3000高压三电平变频停机时的波

形。停机时波形如图6所示。

（c）CM3000高压三电平变频带载时运行波

形。运行波形如图7所示。

4 CM3000高压三电平变频的优势4.1 磁链闭环矢量控制技术

磁链闭环如图8所示。

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 三电平技术三电平拓扑如图9所示。

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。

图8 磁链闭环 图9 三电平拓扑图

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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中点控制比较如图10所示。

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 多电机同步技术电流波形如图11所示

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

图10 中点控制比较 图11 运行波形图

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。

5 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。CD

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交流传动 CD技术与应用AC DRIVE