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煤矿提升机的变频改造

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煤矿提升机的变频改造
Coal mine elevator frequency conversion transformation　

摘 要：本文介绍了变频器在煤矿提升机上的应用，指出了原工频控制的弊端，变频改造的难点，四象限运行的特点，回馈功能的实现，论述了该类设备变频改造的前景。
关键词：提升机 四象限运行 回馈
Abstract: This article introduced the frequency changer on coal mineelevator application, had pointed out the original labor frequencycontrol malpractice, the frequency conversion transformationdifficulty, four quadrants movements characteristic, the back couplingfunction realization, elaborated this kind of equipment frequencyconversion transformation prospect.
Key word: Elevator Four quadrants movements Back couplin
引言：
　　宁夏回族自治区宁煤集团高闸煤矿主井绞车，担负着整矿提煤、运料的繁重工作，一旦出现故障，就将影响整矿的生产。因此设备的正常运行起着至关重要的作用。该井为单钩运行，坡度为45°，坡长为300米。原采用280KW/380V绕线电机串电阻调速，用交流接触器实现速度段切换。形成了低速降压启动、档位切换加速、全速运行、档位切换减速、低速降压停车的工作过程。
　　但是，在运行中存在明显的缺点，主要体现在以下几个方面：
　　1、在料车空车下放时，电机的转速超过了同步转速，电机处于发电状态，由于没有处理环节，大量的无功能量消耗在转差电阻上，致使电机能耗增加，不但浪费大量的电能，而且使电机铜损、铁损增加，增大了电机的维修费用。从现场情况看，下放时电机电流与提升时基本相同，都在500A左右，相当于电机的额定电流，而空载时电机电流大约应在额定电流的60%左右，从这点看，应有30%左右的无功能量消耗，使用电量增加。
　　2、 原控制系统采用绕线电机转子串电阻的方式进行调速，存在以下缺点：
(1)大量的电能消耗在转差电阻上，造成了严重的能源浪费，同时电阻器的安装需要占用很大的空间。
(2)控制系统复杂，导致系统的故障率高，接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏，维护工作量很大，直接影响了生产效率。
　　(3)低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制，特别是在负载发生变化时，很难实现恒减速控制，导致调速不连续、速度控制性能较差。
(　　4)启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机的使用寿命大大降低，而且极容易出现“掉道”现象。
　　(5)自动化程度不高，增加了开采成本，影响了产量。
　　(6)低电压和低速段的启动力矩小，机械特性比较软，带负载能力差，无法实现恒转矩提升。
　　针对以上这些问题，煤矿决定对原系统进行改造。根据当今科技的发展，采用技术含量较高的变频调速，替代原来的绕线电机串电阻调速，是较理想的方案。变频调速实现了电机的软启动、软停车，连续平滑调速，特别是带能量回馈的四象限运行变频器，可以将电机在发电状态下的再生电能回送电网，降低了无功能耗，可节约大量的电能。
一、变频控制方案
　　1.变频控制的特点
(1)变频系统甩掉了原电控调速用的交流接触器及调速电阻，提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境。
(2)实现了低频低压的软起动和软停止，使运行更加平稳，机械冲击小。
(3)启动及加速过程冲击电流小，加速过程中最大启动电流不超过1.3倍的额定电流，提升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速，也没有大电流出现，大大地减小了对电网的冲击。
(4)增加了直流制动功能，使重车停车时更加平稳。
(5)转矩补偿达到规范要求，重车启动正常。
(6)节能效果显著。据实测，在低速段节能明显，一般可达到20%左右。采用回馈制动，节能效果越明显。
(7)采用变频控制后，原绕线式电机转子短接，在电机维护方面，避免了转子炭刷的烧损及维护。
(8)采用芯片统一控制和 PLC 外端电路接口相结合，使调速系统具有很高的可靠性，增加了系统的抗干扰能力，同时利用 PLC 强大的控制功能实现灵活的控制方式。
(9)机内带有回馈单元，回馈能量可直接输给电网，且不受回馈能量大小的限制，适应范围广，节能效果明显，系统可以实现四象限运行。
(10)安全保护功能齐全，除了过压、欠压、过载、过热、短路等自身保护外，还设有外围控制的连锁保护，包括制动闸信号与正、反转信号的连锁，变频器故障信号与系统安全回路的连锁，机内备有自动减速程序等。
　　2.方案的确定
设计时，因绞车系统一般都满负荷运行，而且要求起动力矩大，因此根据电机的容量（380/280KW），负载的要求，变频器一般应大出一个规格，因此采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD—BP32—315T型号（315KW/380V）的具有四象限运行的提升机专用变频器，为防止变频器故障时耽误生产，保证生产的连续性，采用原系统与变频器共存的方式，原系统作为变频器的备用，在变频器故障或检修时投入生产，以保证生产的连续性，不耽误生产。
　　3.系统的组成
控制系统由一台电控柜（由矿方提供）控制整个系统的启、停；380V/315KW的矿用提升机变频器及远距离控制装置组成。系统的控制信号及保护装置仍采用原控制系统，机械抱闸等仍采用，变频器只作为一个调速装置使用。
　　4.控制原理
控制核心为山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP32-315T型矿用提升机专用变频器，利用其原控制系统与变频提升机系统对接对绞车进行起、停、加减速及机械抱闸系统的控制，同时用变频器调节频率，使绞车电机的转速得到控制。远控盒显示其运行频率和正反转、速度段等信息。
5、系统组成如图1所示。

二．变频调速的原理
　　1．主回路图如下：

　　　　　　　　　　　　　　　图2、提升机变频器主电路
　　主回路工作过程：三相交流电经整流滤波成直流电为逆变提供电源，逆变的功能是将整流后的直流电转化为调频调压的交流电去驱动电机，电能转换机械能，实现提升；当电机有高速减速或单钩绞车下放时，负载由于存在惯性，电机的实际转速会超过它的同步转速，机械能转化为电能，电机变成发电机，放出的交流电经逆变部分的续流二极管整流使母线电压升高，直接危及功率器件，必须把这部分能量释放掉，于是我们做了回馈和刹车单元对这部分能量进行处理，一部分送往电网，一部分通过电阻消耗掉。
　　2．控制回路
　　采用芯片统一控制和 PLC 外端电路接口相结合，使调速系统具有很高的可靠性，同时利用 PLC 强大的控制能力实现灵活的控制方式和电气隔离。
　　3．接口电路

　　　　　　　　　　图3、PLC接口电路
　　输入：故障输入、自动减速、正转、反转、松闸信号、母线过压1、内部保护、母线过压2、五个档位、急停、模拟输入+A 、+B
输出：（1）.去微机板的信号 : 地、正/反、松闸、运行、急停 、外控电压输入
（2）指示信号 : 故障指示、上升指示、下降指示、减速指示、档位指示
　　4．回馈能量的处理
作为提升类变频器，最根本的问题是对回馈能量的处理。由于负载在下放重物、快速减速及急停时，会有较大的能量回送给变频器。因此本变频器系统采用了能耗制动、回馈制动技术，有效地解决了此类问题。尤其是回馈制动，将能量直接回送电网，不但保证了设备的安全运行，而且节约了电能，使再生能量回收利用。
　　5．变频器为典型的交-直-交电压源型变频器，其功率模块为进口的西门子新型IGBT器件，采用16位全数字单片机控制技术，可以实现交流电动机大范围内的无级平滑调速，在运行过程中能随时检测电动机的负载情况，自动调整功率输出，使电动机始终运行在最佳状态，节能效果明显。
　　6. 系统的控制框图如图 4所示。

图4、控制系统原理
三、 应用效果
　　1. 变频器矿车下放运行时，采用回馈制动，其再生能量能回收利用，节能显著，据测算，变频运行时电流在220A,与原来相比，减少了一半。这一方面是变频器提高了功率因数，一般可提高到0.95以上，降低了无功损耗，使电流指示减少；另一方面有一部分回馈电网，回馈电流大约在200A，也降低了运行电流。
　　2. 采用变频控制后，由于设置直流制动，在运行时油闸全敞开，减轻了原工频控制下的磨损，油闸只是作为一种辅助设施，在电机停稳后或在急停时快速抱闸用，据测算，该项损耗大大降低，每年也可节省2—3万元。
　　3. 原工频控制采用交流接触器进行速度段切换，用调速电阻调速，而变频控制则将其全部甩掉，也增加了可靠性，降低设备维护费用。
综上所述，其综合经济效益是十分明显的，从节能及生产的可靠性而言，其节约的费用约在30%左右。
四、结论
　　煤矿提升机应用变频控制，是山东新风光电子科技发展有限公司变频器开发方面的一大特色。其产品已在山东、山西、河南、河北、四川、贵州、云南、宁夏、内蒙等全国的很多省份的煤矿得到了广泛的应用。在操作方便、运行可靠、改善工人的劳动环境、节电显著等方面都体现出明显的优势。特别是近几年产品的优化升级，一些新技术（包括PLC）的应用，使其可靠性应用得到极大的提高。提升机变频器实现了四象限运行、电能的回馈等新技术，其应用前景将会是很广阔的。

参考文献：
1、 杜秀虹 《矿山提升机变频调速系统》2005.10
2、 李瑞来 何洪臣 韩文昭 《矿山提升机变频调速系统》2000.9
作者简介：
周加胜 1967年生，现在山东新风光电子科技发展有限公司从事技术支持工作。

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