煤礦提升機的變頻改造（Coal mine elevator frequency conversion transformation）
山東新風光電子科技發(fā)展有限 公司 周加勝 郭宗偉
摘 要：本文介紹了變頻器在煤礦提升機上的應用，指出了原工頻控制的弊端，變頻改造的難點，四象限運行的特點，回饋功能的實現(xiàn)，論述了該類設備變頻改造的前景。
關鍵詞：提升機 四象限運行 回饋
Abstract: This article introduced the frequency changer on coal mineelevator application, had pointed out the original labor frequencycontrol malpractice, the frequency conversion transbbbbationdifficulty, four quadrants movements characteristic, the back couplingfunction realization, elaborated this kind of equipment frequencyconversion transbbbbation prospect.
Key word: Elevator Four quadrants movements Back couplin
引言：
寧夏回族自治區(qū)寧煤集團高閘煤礦主井絞車，擔負著整礦提煤、運料的繁重工作，一旦出現(xiàn)故障，就將影響整礦的生產(chǎn)。因此設備的正常運行起著至關重要的作用。該井為單鉤運行，坡度為45°，坡長為300米。原采用280KW/380V繞線電機串電阻調速，用交流接觸器實現(xiàn)速度段切換。形成了低速降壓啟動、檔位切換加速、全速運行、檔位切換減速、低速降壓停車的工作過程。
但是，在運行中存在明顯的缺點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1、在料車空車下放時，電機的轉速超過了同步轉速，電機處于發(fā)電狀態(tài)，由于沒有處理環(huán)節(jié)，大量的無功能量消耗在轉差電阻上，致使電機能耗增加，不但浪費大量的電能，而且使電機銅損、鐵損增加，增大了電機的維修費用。從現(xiàn)場情況看，下放時電機電流與提升時基本相同，都在500A左右，相當于電機的額定電流，而空載時電機電流大約應在額定電流的60%左右，從這點看，應有30%左右的無功能量消耗，使用電量增加。
2、 原控制系統(tǒng)采用繞線電機轉子串電阻的方式進行調速，存在以下缺點：
(1)大量的電能消耗在轉差電阻上，造成了嚴重的能源浪費，同時電阻器的安裝需要占用很大的空間。
(2)控制系統(tǒng)復雜，導致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。
(3)低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現(xiàn)速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時，很難實現(xiàn)恒減速控制，導致調速不連續(xù)、速度控制性能較差。
( 4)啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。
(5)自動化程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。
(6)低電壓和低速段的啟動力矩小，機械特性比較軟，帶負載能力差，無法實現(xiàn)恒轉矩提升。
針對以上這些問題，煤礦決定對原系統(tǒng)進行改造。根據(jù)當今科技的發(fā)展，采用技術含量較高的變頻調速，替代原來的繞線電機串電阻調速，是較理想的方案。變頻調速實現(xiàn)了電機的軟啟動、軟停車，連續(xù)平滑調速，特別是帶能量回饋的四象限運行變頻器，可以將電機在發(fā)電狀態(tài)下的再生電能回送電網(wǎng)，降低了無功能耗，可節(jié)約大量的電能。
一、變頻控制方案
1.變頻控制的特點
(1)變頻系統(tǒng)甩掉了原電控調速用的交流接觸器及調速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境。
(2)實現(xiàn)了低頻低壓的軟起動和軟停止，使運行更加平穩(wěn)，機械沖擊小。
(3)啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大啟動電流不超過1.3倍的額定電流，提升機在重載下從低速平穩(wěn)無級平滑地升至最高速，也沒有大電流出現(xiàn)，大大地減小了對電網(wǎng)的沖擊。
(4)增加了直流制動功能，使重車停車時更加平穩(wěn)。
(5)轉矩補償達到規(guī)范要求，重車啟動正常。
(6)節(jié)能效果顯著。據(jù)實測，在低速段節(jié)能明顯，一般可達到20%左右。采用回饋制動，節(jié)能效果越明顯。
(7)采用變頻控制后，原繞線式電機轉子短接，在電機維護方面，避免了轉子炭刷的燒損及維護。
(8)采用芯片統(tǒng)一控制和 PLC 外端電路接口相結合，使調速系統(tǒng)具有很高的可靠性，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力，同時利用 PLC 強大的控制功能實現(xiàn)靈活的控制方式。
(9)機內帶有回饋單元，回饋能量可直接輸給電網(wǎng)，且不受回饋能量大小的限制，適應范圍廣，節(jié)能效果明顯，系統(tǒng)可以實現(xiàn)四象限運行。
(10)安全保護功能齊全，除了過壓、欠壓、過載、過熱、短路等自身保護外，還設有外圍控制的連鎖保護，包括制動閘信號與正、反轉信號的連鎖，變頻器故障信號與系統(tǒng)安全回路的連鎖，機內備有自動減速程序等。
2.方案的確定
設計時，因絞車系統(tǒng)一般都滿負荷運行，而且要求起動力矩大，因此根據(jù)電機的容量（380/280KW），負載的要求，變頻器一般應大出一個規(guī)格，因此采用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD—BP32—315T型號（315KW/380V）的具有四象限運行的提升機專用變頻器，為防止變頻器故障時耽誤生產(chǎn)，保證生產(chǎn)的連續(xù)性，采用原系統(tǒng)與變頻器共存的方式，原系統(tǒng)作為變頻器的備用，在變頻器故障或檢修時投入生產(chǎn)，以保證生產(chǎn)的連續(xù)性，不耽誤生產(chǎn)。
3.系統(tǒng)的組成
控制系統(tǒng)由一臺電控柜（由礦方提供）控制整個系統(tǒng)的啟、停；380V/315KW的礦用提升機變頻器及遠距離控制裝置組成。系統(tǒng)的控制信號及保護裝置仍采用原控制系統(tǒng)，機械抱閘等仍采用，變頻器只作為一個調速裝置使用。
4.控制原理
控制核心為山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP32-315T型礦用提升機專用變頻器，利用其原控制系統(tǒng)與變頻提升機系統(tǒng)對接對絞車進行起、停、加減速及機械抱閘系統(tǒng)的控制，同時用變頻器調節(jié)頻率，使絞車電機的轉速得到控制。遠控盒顯示其運行頻率和正反轉、速度段等信息。
5、系統(tǒng)組成如圖1所示。
Abstract: This article introduced the frequency changer on coal mineelevator application, had pointed out the original labor frequencycontrol malpractice, the frequency conversion transbbbbationdifficulty, four quadrants movements characteristic, the back couplingfunction realization, elaborated this kind of equipment frequencyconversion transbbbbation prospect.
Key word: Elevator Four quadrants movements Back couplin
引言：
寧夏回族自治區(qū)寧煤集團高閘煤礦主井絞車，擔負著整礦提煤、運料的繁重工作，一旦出現(xiàn)故障，就將影響整礦的生產(chǎn)。因此設備的正常運行起著至關重要的作用。該井為單鉤運行，坡度為45°，坡長為300米。原采用280KW/380V繞線電機串電阻調速，用交流接觸器實現(xiàn)速度段切換。形成了低速降壓啟動、檔位切換加速、全速運行、檔位切換減速、低速降壓停車的工作過程。
但是，在運行中存在明顯的缺點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1、在料車空車下放時，電機的轉速超過了同步轉速，電機處于發(fā)電狀態(tài)，由于沒有處理環(huán)節(jié)，大量的無功能量消耗在轉差電阻上，致使電機能耗增加，不但浪費大量的電能，而且使電機銅損、鐵損增加，增大了電機的維修費用。從現(xiàn)場情況看，下放時電機電流與提升時基本相同，都在500A左右，相當于電機的額定電流，而空載時電機電流大約應在額定電流的60%左右，從這點看，應有30%左右的無功能量消耗，使用電量增加。
2、 原控制系統(tǒng)采用繞線電機轉子串電阻的方式進行調速，存在以下缺點：
(1)大量的電能消耗在轉差電阻上，造成了嚴重的能源浪費，同時電阻器的安裝需要占用很大的空間。
(2)控制系統(tǒng)復雜，導致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。
(3)低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現(xiàn)速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時，很難實現(xiàn)恒減速控制，導致調速不連續(xù)、速度控制性能較差。
( 4)啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。
(5)自動化程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。
(6)低電壓和低速段的啟動力矩小，機械特性比較軟，帶負載能力差，無法實現(xiàn)恒轉矩提升。
針對以上這些問題，煤礦決定對原系統(tǒng)進行改造。根據(jù)當今科技的發(fā)展，采用技術含量較高的變頻調速，替代原來的繞線電機串電阻調速，是較理想的方案。變頻調速實現(xiàn)了電機的軟啟動、軟停車，連續(xù)平滑調速，特別是帶能量回饋的四象限運行變頻器，可以將電機在發(fā)電狀態(tài)下的再生電能回送電網(wǎng)，降低了無功能耗，可節(jié)約大量的電能。
一、變頻控制方案
1.變頻控制的特點
(1)變頻系統(tǒng)甩掉了原電控調速用的交流接觸器及調速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境。
(2)實現(xiàn)了低頻低壓的軟起動和軟停止，使運行更加平穩(wěn)，機械沖擊小。
(3)啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大啟動電流不超過1.3倍的額定電流，提升機在重載下從低速平穩(wěn)無級平滑地升至最高速，也沒有大電流出現(xiàn)，大大地減小了對電網(wǎng)的沖擊。
(4)增加了直流制動功能，使重車停車時更加平穩(wěn)。
(5)轉矩補償達到規(guī)范要求，重車啟動正常。
(6)節(jié)能效果顯著。據(jù)實測，在低速段節(jié)能明顯，一般可達到20%左右。采用回饋制動，節(jié)能效果越明顯。
(7)采用變頻控制后，原繞線式電機轉子短接，在電機維護方面，避免了轉子炭刷的燒損及維護。
(8)采用芯片統(tǒng)一控制和 PLC 外端電路接口相結合，使調速系統(tǒng)具有很高的可靠性，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力，同時利用 PLC 強大的控制功能實現(xiàn)靈活的控制方式。
(9)機內帶有回饋單元，回饋能量可直接輸給電網(wǎng)，且不受回饋能量大小的限制，適應范圍廣，節(jié)能效果明顯，系統(tǒng)可以實現(xiàn)四象限運行。
(10)安全保護功能齊全，除了過壓、欠壓、過載、過熱、短路等自身保護外，還設有外圍控制的連鎖保護，包括制動閘信號與正、反轉信號的連鎖，變頻器故障信號與系統(tǒng)安全回路的連鎖，機內備有自動減速程序等。
2.方案的確定
設計時，因絞車系統(tǒng)一般都滿負荷運行，而且要求起動力矩大，因此根據(jù)電機的容量（380/280KW），負載的要求，變頻器一般應大出一個規(guī)格，因此采用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD—BP32—315T型號（315KW/380V）的具有四象限運行的提升機專用變頻器，為防止變頻器故障時耽誤生產(chǎn)，保證生產(chǎn)的連續(xù)性，采用原系統(tǒng)與變頻器共存的方式，原系統(tǒng)作為變頻器的備用，在變頻器故障或檢修時投入生產(chǎn)，以保證生產(chǎn)的連續(xù)性，不耽誤生產(chǎn)。
3.系統(tǒng)的組成
控制系統(tǒng)由一臺電控柜（由礦方提供）控制整個系統(tǒng)的啟、停；380V/315KW的礦用提升機變頻器及遠距離控制裝置組成。系統(tǒng)的控制信號及保護裝置仍采用原控制系統(tǒng)，機械抱閘等仍采用，變頻器只作為一個調速裝置使用。
4.控制原理
控制核心為山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP32-315T型礦用提升機專用變頻器，利用其原控制系統(tǒng)與變頻提升機系統(tǒng)對接對絞車進行起、停、加減速及機械抱閘系統(tǒng)的控制，同時用變頻器調節(jié)頻率，使絞車電機的轉速得到控制。遠控盒顯示其運行頻率和正反轉、速度段等信息。
5、系統(tǒng)組成如圖1所示。
二．變頻調速的原理
1．主回路圖如下：
圖2、提升機變頻器主電路
主回路工作過程：三相交流電經(jīng)整流濾波成直流電為逆變提供電源，逆變的功能是將整流后的直流電轉化為調頻調壓的交流電去驅動電機，電能轉換機械能，實現(xiàn)提升；當電機有高速減速或單鉤絞車下放時，負載由于存在慣性，電機的實際轉速會超過它的同步轉速，機械能轉化為電能，電機變成發(fā)電機，放出的交流電經(jīng)逆變部分的續(xù)流二極管整流使母線電壓升高，直接危及功率器件，必須把這部分能量釋放掉，于是我們做了回饋和剎車單元對這部分能量進行處理，一部分送往電網(wǎng)，一部分通過電阻消耗掉。
2．控制回路
采用芯片統(tǒng)一控制和 PLC 外端電路接口相結合，使調速系統(tǒng)具有很高的可靠性，同時利用 PLC 強大的控制能力實現(xiàn)靈活的控制方式和電氣隔離。
3．接口電路
圖3、PLC接口電路
輸入：故障輸入、自動減速、正轉、反轉、松閘信號、母線過壓1、內部保護、母線過壓2、五個檔位、急停、模擬輸入+A 、+B
輸出：（1）.去微機板的信號 : 地、正/反、松閘、運行、急停 、外控電壓輸入
（2）指示信號 : 故障指示、上升指示、下降指示、減速指示、檔位指示
4．回饋能量的處理
作為提升類變頻器，最根本的問題是對回饋能量的處理。由于負載在下放重物、快速減速及急停時，會有較大的能量回送給變頻器。因此本變頻器系統(tǒng)采用了能耗制動、回饋制動技術，有效地解決了此類問題。尤其是回饋制動，將能量直接回送電網(wǎng)，不但保證了設備的安全運行，而且節(jié)約了電能，使再生能量回收利用。
5．變頻器為典型的交-直-交電壓源型變頻器，其功率模塊為進口的西門子新型IGBT器件，采用16位全數(shù)字單片機控制技術，可以實現(xiàn)交流電動機大范圍內的無級平滑調速，在運行過程中能隨時檢測電動機的負載情況，自動調整功率輸出，使電動機始終運行在最佳狀態(tài)，節(jié)能效果明顯。
6. 系統(tǒng)的控制框圖如圖 4所示。
圖4、控制系統(tǒng)原理
三、應用效果
1. 變頻器礦車下放運行時，采用回饋制動，其再生能量能回收利用，節(jié)能顯著，據(jù)測算，變頻運行時電流在220A,與原來相比，減少了一半。這一方面是變頻器提高了功率因數(shù)，一般可提高到0.95以上，降低了無功損耗，使電流指示減少；另一方面有一部分回饋電網(wǎng)，回饋電流大約在200A，也降低了運行電流。
2. 采用變頻控制后，由于設置直流制動，在運行時油閘全敞開，減輕了原工頻控制下的磨損，油閘只是作為一種輔助設施，在電機停穩(wěn)后或在急停時快速抱閘用，據(jù)測算，該項損耗大大降低，每年也可節(jié)省2—3萬元。
3. 原工頻控制采用交流接觸器進行速度段切換，用調速電阻調速，而變頻控制則將其全部甩掉，也增加了可靠性，降低設備維護費用。
綜上所述，其綜合經(jīng)濟效益是十分明顯的，從節(jié)能及生產(chǎn)的可靠性而言，其節(jié)約的費用約在30%左右。
四、結論
煤礦提升機應用變頻控制，是山東新風光電子科技發(fā)展有限公司變頻器開發(fā)方面的一大特色。其產(chǎn)品已在山東、山西、河南、河北、四川、貴州、云南、寧夏、內蒙等全國的很多省份的煤礦得到了廣泛的應用。在操作方便、運行可靠、改善工人的勞動環(huán)境、節(jié)電顯著等方面都體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。特別是近幾年產(chǎn)品的優(yōu)化升級，一些新技術（包括PLC）的應用，使其可靠性應用得到極大的提高。提升機變頻器實現(xiàn)了四象限運行、電能的回饋等新技術，其應用前景將會是很廣闊的。
1. 變頻器礦車下放運行時，采用回饋制動，其再生能量能回收利用，節(jié)能顯著，據(jù)測算，變頻運行時電流在220A,與原來相比，減少了一半。這一方面是變頻器提高了功率因數(shù)，一般可提高到0.95以上，降低了無功損耗，使電流指示減少；另一方面有一部分回饋電網(wǎng)，回饋電流大約在200A，也降低了運行電流。
2. 采用變頻控制后，由于設置直流制動，在運行時油閘全敞開，減輕了原工頻控制下的磨損，油閘只是作為一種輔助設施，在電機停穩(wěn)后或在急停時快速抱閘用，據(jù)測算，該項損耗大大降低，每年也可節(jié)省2—3萬元。
3. 原工頻控制采用交流接觸器進行速度段切換，用調速電阻調速，而變頻控制則將其全部甩掉，也增加了可靠性，降低設備維護費用。
綜上所述，其綜合經(jīng)濟效益是十分明顯的，從節(jié)能及生產(chǎn)的可靠性而言，其節(jié)約的費用約在30%左右。
四、結論
煤礦提升機應用變頻控制，是山東新風光電子科技發(fā)展有限公司變頻器開發(fā)方面的一大特色。其產(chǎn)品已在山東、山西、河南、河北、四川、貴州、云南、寧夏、內蒙等全國的很多省份的煤礦得到了廣泛的應用。在操作方便、運行可靠、改善工人的勞動環(huán)境、節(jié)電顯著等方面都體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。特別是近幾年產(chǎn)品的優(yōu)化升級，一些新技術（包括PLC）的應用，使其可靠性應用得到極大的提高。提升機變頻器實現(xiàn)了四象限運行、電能的回饋等新技術，其應用前景將會是很廣闊的。
參考文獻：
1、 杜秀虹 《礦山提升機變頻調速系統(tǒng)》2005.10
2、 李瑞來 何洪臣 韓文昭 《礦山提升機變頻調速系統(tǒng)》2000.9
作者簡介：
周加勝 1967年生，現(xiàn)在山東新風光電子科技發(fā)展有限公司從事技術支持工作。
本文標簽：煤礦提升機的變頻改造（Coal mine elevator frequency conversion transformation）
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