關(guān)鍵詞：國(guó)產(chǎn)高壓變頻提升調(diào)速系統(tǒng) 礦山提升機(jī) 能量回饋
Abstract: The paper introduces the reconstruction that domestic high voltage variable frequency control velocity system for mining hoist.It is discussed that the system of mining hoist and variahle frequency system of controlling ,also analyzes the system of high voltage lifter inverter. The running effect indicate that the alternation is successful.
Key word : the system of domestic high voltage lifter inverter mining hoist energy feedback
1.引言
目前，我國(guó)的礦井提升機(jī)，有相當(dāng)一部分是功 100KW～500KW的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。由于歷史的原因，此部分提升機(jī)一直是沿用高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)提升機(jī)的電控方式——用交流繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的方式。此種調(diào)速方式技術(shù)落后，且運(yùn)行效果很不理想。而大于500kw且希望獲得比較高性能的提升機(jī)則大部分采用直流傳動(dòng)的方案，直流電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，帶來(lái)的則是運(yùn)行過(guò)程中高昂的維護(hù)費(fèi)用。
交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，目前已經(jīng)非常成熟，且電氣控制性能與直流傳動(dòng)方案相當(dāng)，并有超過(guò)直流傳動(dòng)方案的趨勢(shì)，是在工業(yè)控制領(lǐng)域大量采用的技術(shù)?？煽啃灾笜?biāo)已達(dá)到非常高的程度。因此，用交流變頻器直接驅(qū)動(dòng)鼠籠電動(dòng)機(jī)，應(yīng)作為礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)的首選方案。采用了具有能量回饋特性的矢量控制型四象限變頻器，直接驅(qū)動(dòng)鼠籠電動(dòng)機(jī)形成電控系統(tǒng)。具有類似或優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良機(jī)械特性，具有接近于1的功率因數(shù)和大于95％的能量轉(zhuǎn)換效率，節(jié)能效果非常顯著。不僅使提升工藝過(guò)程性能優(yōu)良，而且使用維護(hù)簡(jiǎn)單，整機(jī)效率也大大提高，應(yīng)該是提升機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展的方向。
2.原礦山提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及 變頻電控系統(tǒng) 簡(jiǎn)介
河北邯鄲峰峰礦業(yè)集團(tuán)公司是國(guó)家大型企業(yè)，全國(guó)煤炭百?gòu)?qiáng)企業(yè)。集團(tuán)公司新三礦原有一礦井提升機(jī)，該提升機(jī)絞車(chē)采用線繞式異步電動(dòng)機(jī)，用轉(zhuǎn)子串電阻的方法調(diào)速。這種系統(tǒng)屬于有級(jí)調(diào)速，低速轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)差功率大，啟動(dòng)電流和換檔電流沖擊大，中高速運(yùn)行振動(dòng)大，制動(dòng)不安全不可靠，對(duì)再生能量處理不力，低速運(yùn)行到終點(diǎn)時(shí)易出現(xiàn) “過(guò)卷”現(xiàn)象，故障率高，運(yùn)行效率低等缺點(diǎn)，礦用生產(chǎn)是 24 小時(shí)連續(xù)作業(yè)，即使短時(shí)間的停機(jī)維修也會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)很大損失。集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)下決心對(duì)該提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造。我們焦作華飛公司是中國(guó)最大的礦用提升機(jī)電控生產(chǎn)基地?；诖耍x用了我公司生產(chǎn) KTDK-PC 型礦井 提升機(jī)變頻電控系統(tǒng)， 是一套性能在國(guó)內(nèi)居領(lǐng)先水平的礦山提升機(jī)的電控系統(tǒng)。該電控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
1 . 調(diào)速柜采用矢量控制變頻器，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動(dòng)。具有能量回饋電網(wǎng)功能，節(jié)能效果顯著。
2 . 極短的投運(yùn)時(shí)間 ——變頻電控不超過(guò) 3天。（不包括前期每天兩小時(shí)共7至10天的準(zhǔn)備時(shí)間）
3 . 遠(yuǎn)程工況監(jiān)測(cè)和故障診斷 ——計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程通訊，采用日本三菱公司軟硬件設(shè)備 ,通過(guò)電話線使授權(quán)的任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)能監(jiān)視提升機(jī)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)．
4 . 無(wú)線感應(yīng)動(dòng)態(tài)稱重 ——采用了壓力測(cè)量和 FSK調(diào)制無(wú)線感應(yīng)動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)，使得裝載自動(dòng)化過(guò)程得以準(zhǔn)確可靠的完成。
5 . 主控臺(tái)內(nèi)含信號(hào)系統(tǒng)
6 . 15點(diǎn)關(guān)鍵位溫度巡檢
7 . 提升機(jī)綜合保護(hù)控制儀 ——采用我公司成熟的新型提升機(jī)電控技術(shù)研制開(kāi)發(fā)的，作為礦井提升機(jī)老式電控系統(tǒng)的綜合保護(hù)。
8 . 多水平提升機(jī)信號(hào)系統(tǒng) ——各部分之間的信號(hào)傳送采用雙線式 485口通訊模式，具有雙工擴(kuò)音電話通訊功能?？蓪?shí)現(xiàn)井口到井下，井口到車(chē)房的雙工通訊功能。
原礦山提升機(jī)絞車(chē)電機(jī)有關(guān)參數(shù)：
型號(hào) JR158-8
功率 380KW
電流 47A
電壓 6000V
轉(zhuǎn)速 735r/min
3.提升機(jī)對(duì)變頻器特殊的要求
由于提升類負(fù)載對(duì)變頻器有著不少特殊的要求，所以一般普通變頻器不可能直接用到提升機(jī)上。提升機(jī)對(duì)變頻器要求有以下主要特點(diǎn)：
（ 1）要求可靠性高
（ 2）要求能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，解決能量回饋
（ 3）要求有完善的數(shù)字控制功能
（ 4）技術(shù)指標(biāo)要求高（例如啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩2倍以上，150%額定電流以下連續(xù)運(yùn)行，200%額定電流一分鐘保護(hù)）
（ 5）要求適應(yīng)惡劣的使用環(huán)境
（ 6）要求標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信接口
（ 7）運(yùn)行速度曲線成S形，加減速平滑
4 . 新風(fēng)光電子公司 JD-BP37 型高壓提升變頻調(diào)速器
山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司是國(guó)內(nèi)最早研制變頻器的公司之一，變頻器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)審定單位之一，技術(shù)力量雄厚，變頻器在提升機(jī)方面獲得了國(guó)家專利，應(yīng)用戶的要求，配備了該公司生產(chǎn)的 JD-BP37-400T（400KW）高 壓提升變頻調(diào)速器。以下是對(duì) JD-BP37 型高壓提升變頻調(diào)速器的一些介紹。
4.1 JD-BP37 型高壓提升變頻調(diào)速器簡(jiǎn)介
JD-BP37 型高壓提升變頻調(diào)速器采用最新型 IGBT 為主控器件，全數(shù)字化，彩色液晶觸摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速器，采用先進(jìn)的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)完成提升機(jī)的四象限運(yùn)行，用于鼠籠式電機(jī)或繞線式轉(zhuǎn)子串電阻電機(jī)控制，即可用于新礦井安裝，也可用于老礦井改造。
風(fēng)光高壓提升變頻器，采用若干個(gè)低壓逆變器功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出，所用的 6kv 高壓提升變頻器，變壓器有 18 組付邊繞組 ， 分為 6 個(gè)功率單元 ∕ 相 ，三相共 18個(gè)單元， 采用 36 脈沖整流，輸入端的諧波成分滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定 ，高壓提升變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
圖 1 高壓提升變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
JD-BP37 型高壓提升變頻調(diào)速系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成
4 . 2 功率單元電路
每 個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其主電路結(jié)構(gòu)如圖 2 示，為基本的交 - 直 - 交雙向逆變電路，通過(guò)整流橋進(jìn)行三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓，通過(guò)對(duì)逆變塊 B 中的 IGBT 逆變橋進(jìn)行正弦 PWM 控制實(shí)現(xiàn)單相逆變。當(dāng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，逆變塊 B 中的二極管完成續(xù)流外，又起全波整流，使能量能夠轉(zhuǎn)移到濾波電容中，結(jié)果母線電壓升高，達(dá)到一定程度后，啟動(dòng)逆變塊 A ，進(jìn)行 SPWM 逆變，通過(guò)輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過(guò)變壓器將能量回饋到電網(wǎng)。
圖 2功率單元電路結(jié)構(gòu)
4. 3控制器
控制器核心由高速 DSP 和工控 PC 機(jī)協(xié)同運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。工控 PC 提供友好的全中文 bbbbbbS 監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制?？刂破饔糜诠耋w內(nèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
5. JD-BP37 型高壓提升變頻調(diào)速器主要技術(shù)性能
5.1 高——高電壓源型變頻器，直接 6KV 輸入，直接 6KV 輸出，
無(wú)須任何輸出變壓器或?yàn)V波器，適配于普通高壓電動(dòng)機(jī)，對(duì)電機(jī)、電纜絕緣無(wú)損害。
5.2 輸入功率因數(shù)高，電流諧波小，無(wú)須功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波抑制裝置。
5.3 單元電路模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡(jiǎn)單，互換性好。
5.4 輸出階梯正弦 PWM 波形。
5.5 可提供 2 倍以上的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
5.6 可提供直流制動(dòng) 、回饋制動(dòng)等多種制動(dòng)方式。
5. 7可滿足電動(dòng)機(jī)的四象限工作要求。
5.8 高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強(qiáng)弱電隔離，安全可靠。
5.9 完善的故障檢測(cè)，精確的故障保護(hù)及準(zhǔn)確的定位顯示和報(bào)警。
5.10 內(nèi)置 PLC ，易于改變控制邏輯關(guān)系，可靈活選擇現(xiàn)場(chǎng)控制 / 遠(yuǎn)程控制，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)多變需求。
5.11 采用載波移相控制技術(shù)，大大抑制了輸出電壓的諧波成分，保證輸出波形是完美正弦波。
5.12 控制電源與高壓電相互獨(dú)立，無(wú)高壓可以檢測(cè)變頻器輸出，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試以及培訓(xùn)操作人員，便于維護(hù)。
5.13 采用準(zhǔn)優(yōu)化 SPWM 調(diào)制技術(shù)，電壓利用率高。
5.14 功率單元經(jīng) 24 小時(shí)高溫老化、 150 ％負(fù)載試驗(yàn)，可靠性高。
5.15 中文 bbbbbbs 操作界面，彩色液晶觸摸屏操作。用戶操作監(jiān)控系統(tǒng)界面十分友好和完善，系統(tǒng)包括上位機(jī)（商用 PC 機(jī)）、下位機(jī)（工控機(jī)）、單片機(jī)。其中單片機(jī)給用戶提供一個(gè) 4 位 LED 數(shù)碼顯示屏和一個(gè) 12 鍵的小鍵盤(pán)操作平臺(tái)，可對(duì)變頻器進(jìn)行全部操作，包括參數(shù)設(shè)置和各種運(yùn)行指令。工控機(jī)用觸摸屏和通用鍵盤(pán)給用戶提供操作平臺(tái)，其功能更齊全，包括參數(shù)設(shè)定、功能設(shè)定、運(yùn)行操作、運(yùn)行數(shù)據(jù)打印、故障查詢等等。上位機(jī)（商用 PC 機(jī)）放在總控室，可對(duì)多臺(tái)變頻器進(jìn)行遙測(cè)、遙控。若只有一臺(tái)變頻器，上位機(jī)可省，或讓客戶自定。
5.16 可接收和輸出多路工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
5.17 可打印輸出運(yùn)行報(bào)表 。
6 . 基本控制要求
6 . 1 直流制動(dòng)
本提升機(jī)用變頻器，直流制動(dòng)對(duì)提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到重要作用，當(dāng)重車(chē)在中間停車(chē)時(shí)， PLC 檢測(cè)到停機(jī)信號(hào)后給控制器發(fā)出一信號(hào)，讓提升機(jī)由高速平滑地降到低速，然后由控制器發(fā)出直流制動(dòng)信號(hào)，使提升機(jī)停止，待 PLC 檢測(cè)到機(jī)械制動(dòng)起作用的信號(hào)后， PLC 發(fā)出信號(hào)讓控制器去掉直流制動(dòng)信號(hào)，使提升機(jī)靠機(jī)械抱閘一類的裝置起作用。啟動(dòng)時(shí)，先對(duì)提升機(jī)施加一直流制動(dòng)信號(hào)， PLC 檢測(cè)到機(jī)械抱閘信號(hào)后發(fā)出信號(hào)給控制器去掉直流制動(dòng)信號(hào)，然后由控制器加上啟動(dòng)電壓讓提升機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。
6 . 2 運(yùn)行速度的控制
為了減少運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械沖擊，在提升機(jī)啟動(dòng)和停止過(guò)程中，做到加速度連續(xù)，因不同的頻率，對(duì)應(yīng)不同的加減速速率，在本裝置的控制中，將不同頻率時(shí)的加減速速率規(guī)劃成一個(gè)表格，運(yùn)行中用查表的方法確定對(duì)應(yīng)頻率時(shí)的加減速速率，使提升機(jī)平滑運(yùn)行，減少機(jī)械沖擊。
6 . 3 自動(dòng)限速保護(hù)
在運(yùn)行到終點(diǎn)時(shí)，由限速開(kāi)關(guān)給出減速信號(hào)， PLC 檢測(cè)到減速信號(hào)后發(fā)送給控制器，由控制器啟動(dòng)自動(dòng)減速程序，使工作頻率按設(shè)定要求逐步變?yōu)榈退龠\(yùn)行。提升機(jī)帶有測(cè)速發(fā)電機(jī)，當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)給出超速信號(hào)， PLC 檢測(cè)該信號(hào)發(fā)送給控制器，進(jìn)入自動(dòng)減速運(yùn)行。
6 . 4 再生能量處理
再生能量通過(guò)功率單元來(lái)處理，見(jiàn)圖 3 示：
圖 3 單元控制框圖
電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，功率單元母線電壓 Vbus 升高，當(dāng)母線電壓超過(guò)電網(wǎng)電壓的 1.1 倍時(shí)， CPU 根據(jù)比較器和相位檢測(cè)的結(jié)果輸出六路 SPWM 波形，使逆變塊 A 中的 IGBT 工作，通過(guò)輸入電感，電動(dòng)機(jī)的再生能量最后通過(guò)移相變壓器回饋到電網(wǎng)。
7.變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)原調(diào)速系統(tǒng)的改造
為了確保安全可靠，讓變頻調(diào)速系統(tǒng)與原調(diào)速系統(tǒng)并存，互為備用，隨時(shí)可以切換。同時(shí)為了讓操作者不改變操作習(xí)慣，工、變頻系統(tǒng)都用原操作機(jī)構(gòu)操作，如圖4所示：
圖4工、變頻系統(tǒng)切換控制
8 . 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及運(yùn)行效果
設(shè)備改造工程于 2005 年 4 月調(diào)試成功 。 使用變頻器后有以下優(yōu)點(diǎn)：
8 . 1 變頻系統(tǒng)無(wú)需原電控調(diào)速用的交流接觸器及調(diào)速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境，使噪音及室溫降低。
8 . 2 調(diào)速連續(xù)方便，連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。
8 . 3 實(shí)現(xiàn)了低頻低壓的軟起動(dòng)和軟停止，使運(yùn)行更加平穩(wěn)，機(jī)械沖擊小，避免了掉道現(xiàn)象 。
8 . 4 啟動(dòng)及加速過(guò)程沖擊電流小，加速過(guò)程中最大電流不超過(guò) 1.3 倍的額定電流，提升機(jī)在重載下從低速平穩(wěn)無(wú)級(jí)平滑的升至最高速，沒(méi)有大電流出現(xiàn)，減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
8 . 5 增加了直流制動(dòng)功能，使重車(chē)停車(chē)時(shí)更加平穩(wěn)，有效避免了 “ 溜溝 ” 現(xiàn)象。
8 . 6 采用回饋制動(dòng)技術(shù)，成功解決了位能負(fù)載在快速減速或急停時(shí)的再生發(fā)電能量處理問(wèn)題，保證了變頻器的安全運(yùn)行。
8 . 7 節(jié)能效果顯著。據(jù)實(shí)測(cè)，在低速段節(jié)能明顯，一般可達(dá)到 37% 以上。
8 . 8 采用變頻控制后，原繞線式電機(jī)可改為普通電機(jī)，這不但降低了成本，普通電機(jī)比繞線式電機(jī)可節(jié)約投資 1/3 ，而且電機(jī)維護(hù)方面，避免了轉(zhuǎn)子炭刷的燒損及維護(hù)。
9 . 結(jié)束語(yǔ)
礦山提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有控制性能優(yōu)良 、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行效率高、維護(hù)工作量小等諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟與能源節(jié)約要求的必然趨勢(shì)，它正成為礦山提升機(jī)傳動(dòng)的發(fā)展方向。
參考文獻(xiàn)
［1］ 華飛公司 礦井 提升機(jī)變頻電控系統(tǒng) 用戶手冊(cè) . 河南焦作華飛公司 .
［2］山東新風(fēng)光電子 高壓提升 變頻器 用戶手冊(cè) . 山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司.
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：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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