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煤礦提升機(jī)的變頻改造(Coal mine elevator frequency conversion transformation)


                                                   山東新風(fēng)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(jī)上的應(yīng)用,指出了原工頻控制的弊端,變頻改造的難點(diǎn),四象限運(yùn)行的特點(diǎn),回饋功能的實(shí)現(xiàn),論述了該類設(shè)備變頻改造的前景。

關(guān)鍵詞:提升機(jī) 四象限運(yùn)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(tuán)高閘煤礦主井絞車,擔(dān)負(fù)著整礦提煤、運(yùn)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(shè)備的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。該井為單鉤運(yùn)行,坡度為45°,坡長(zhǎng)為300米。原采用280KW/380V繞線電機(jī)串電阻調(diào)速,用交流接觸器實(shí)現(xiàn)速度段切換。形成了低速降壓?jiǎn)?dòng)、檔位切換加速、全速運(yùn)行、檔位切換減速、低速降壓停車的工作過程。
  但是,在運(yùn)行中存在明顯的缺點(diǎn),主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
  1、在料車空車下放時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速,電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),由于沒有處理環(huán)節(jié),大量的無(wú)功能量消耗在轉(zhuǎn)差電阻上,致使電機(jī)能耗增加,不但浪費(fèi)大量的電能,而且使電機(jī)銅損、鐵損增加,增大了電機(jī)的維修費(fèi)用。從現(xiàn)場(chǎng)情況看,下放時(shí)電機(jī)電流與提升時(shí)基本相同,都在500A左右,相當(dāng)于電機(jī)的額定電流,而空載時(shí)電機(jī)電流大約應(yīng)在額定電流的60%左右,從這點(diǎn)看,應(yīng)有30%左右的無(wú)功能量消耗,使用電量增加。
  2、 原控制系統(tǒng)采用繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方式進(jìn)行調(diào)速,存在以下缺點(diǎn):
(1)大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上,造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi),同時(shí)電阻器的安裝需要占用很大的空間。
(2)控制系統(tǒng)復(fù)雜,導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高,接觸器、電阻器、繞線電機(jī)碳刷容易損壞,維護(hù)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(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制,特別是在負(fù)載發(fā)生變化時(shí),很難實(shí)現(xiàn)恒減速控制,導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。
(  4)啟動(dòng)和換檔沖擊電流大,造成了很大的機(jī)械沖擊,導(dǎo)致電機(jī)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(dòng)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(dòng)力矩小,機(jī)械特性比較軟,帶負(fù)載能力差,無(wú)法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。
  針對(duì)以上這些問題,煤礦決定對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行改造。根據(jù)當(dāng)今科技的發(fā)展,采用技術(shù)含量較高的變頻調(diào)速,替代原來的繞線電機(jī)串電阻調(diào)速,是較理想的方案。變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停車,連續(xù)平滑調(diào)速,特別是帶能量回饋的四象限運(yùn)行變頻器,可以將電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下的再生電能回送電網(wǎng),降低了無(wú)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(diǎn)
(1)變頻系統(tǒng)甩掉了原電控調(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。
(2)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。
(3)啟動(dòng)及加速過程沖擊電流小,加速過程中最大啟動(dòng)電流不超過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)平滑地升至最高速,也沒有大電流出現(xiàn),大大地減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
(4)增加了直流制動(dòng)功能,使重車停車時(shí)更加平穩(wěn)。
(5)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償達(dá)到規(guī)范要求,重車啟動(dòng)正常。
(6)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20%左右。采用回饋制動(dòng),節(jié)能效果越明顯。
(7)采用變頻控制后,原繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子短接,在電機(jī)維護(hù)方面,避免了轉(zhuǎn)子炭刷的燒損及維護(hù)。
(8)采用芯片統(tǒng)一控制和 PLC 外端電路接口相結(jié)合,使調(diào)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(shí)利用 PLC 強(qiáng)大的控制功能實(shí)現(xiàn)靈活的控制方式。
(9)機(jī)內(nèi)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(yīng)范圍廣,節(jié)能效果明顯,系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。
(10)安全保護(hù)功能齊全,除了過壓、欠壓、過載、過熱、短路等自身保護(hù)外,還設(shè)有外圍控制的連鎖保護(hù),包括制動(dòng)閘信號(hào)與正、反轉(zhuǎn)信號(hào)的連鎖,變頻器故障信號(hào)與系統(tǒng)安全回路的連鎖,機(jī)內(nèi)備有自動(dòng)減速程序等。
  2.方案的確定
設(shè)計(jì)時(shí),因絞車系統(tǒng)一般都滿負(fù)荷運(yùn)行,而且要求起動(dòng)力矩大,因此根據(jù)電機(jī)的容量(380/280KW),負(fù)載的要求,變頻器一般應(yīng)大出一個(gè)規(guī)格,因此采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD—BP32—315T型號(hào)(315KW/380V)的具有四象限運(yùn)行的提升機(jī)專用變頻器,為防止變頻器故障時(shí)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(shí)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(tái)電控柜(由礦方提供)控制整個(gè)系統(tǒng)的啟、停;380V/315KW的礦用提升機(jī)變頻器及遠(yuǎn)距離控制裝置組成。系統(tǒng)的控制信號(hào)及保護(hù)裝置仍采用原控制系統(tǒng),機(jī)械抱閘等仍采用,變頻器只作為一個(gè)調(diào)速裝置使用。
  4.控制原理
控制核心為山東新風(fēng)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(jī)專用變頻器,利用其原控制系統(tǒng)與變頻提升機(jī)系統(tǒng)對(duì)接對(duì)絞車進(jìn)行起、停、加減速及機(jī)械抱閘系統(tǒng)的控制,同時(shí)用變頻器調(diào)節(jié)頻率,使絞車電機(jī)的轉(zhuǎn)速得到控制。遠(yuǎn)控盒顯示其運(yùn)行頻率和正反轉(zhuǎn)、速度段等信息。
5、系統(tǒng)組成如圖1所示。
 

二.變頻調(diào)速的原理
  1.主回路圖如下:
 

                       圖2、提升機(jī)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(zhuǎn)化為調(diào)頻調(diào)壓的交流電去驅(qū)動(dòng)電機(jī),電能轉(zhuǎn)換機(jī)械能,實(shí)現(xiàn)提升;當(dāng)電機(jī)有高速減速或單鉤絞車下放時(shí),負(fù)載由于存在慣性,電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速會(huì)超過它的同步轉(zhuǎn)速,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,電機(jī)變成發(fā)電機(jī),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(duì)這部分能量進(jìn)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(jié)合,使調(diào)速系統(tǒng)具有很高的可靠性,同時(shí)利用 PLC 強(qiáng)大的控制能力實(shí)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(dòng)減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、松閘信號(hào)、母線過壓1、內(nèi)部保護(hù)、母線過壓2、五個(gè)檔位、急停、模擬輸入+A 、+B
輸出:(1).去微機(jī)板的信號(hào) : 地、正/反、松閘、運(yùn)行、急停 、外控電壓輸入
(2)指示信號(hào) : 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(duì)回饋能量的處理。由于負(fù)載在下放重物、快速減速及急停時(shí),會(huì)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(dòng)、回饋制動(dòng)技術(shù),有效地解決了此類問題。尤其是回饋制動(dòng),將能量直接回送電網(wǎng),不但保證了設(shè)備的安全運(yùn)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(jìn)口的西門子新型IGBT器件,采用16位全數(shù)字單片機(jī)控制技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)大范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)平滑調(diào)速,在運(yùn)行過程中能隨時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載情況,自動(dòng)調(diào)整功率輸出,使電動(dòng)機(jī)始終運(yùn)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(yīng)用效果
  1. 變頻器礦車下放運(yùn)行時(shí),采用回饋制動(dòng),其再生能量能回收利用,節(jié)能顯著,據(jù)測(cè)算,變頻運(yùn)行時(shí)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(wú)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(yùn)行電流。
  2. 采用變頻控制后,由于設(shè)置直流制動(dòng),在運(yùn)行時(shí)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(shè)施,在電機(jī)停穩(wěn)后或在急停時(shí)快速抱閘用,據(jù)測(cè)算,該項(xiàng)損耗大大降低,每年也可節(jié)省2—3萬(wàn)元。
  3. 原工頻控制采用交流接觸器進(jìn)行速度段切換,用調(diào)速電阻調(diào)速,而變頻控制則將其全部甩掉,也增加了可靠性,降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。
綜上所述,其綜合經(jīng)濟(jì)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(fèi)用約在30%左右。

四、結(jié)論
  煤礦提升機(jī)應(yīng)用變頻控制,是山東新風(fēng)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(nèi)蒙等全國(guó)的很多省份的煤礦得到了廣泛的應(yīng)用。在操作方便、運(yùn)行可靠、改善工人的勞動(dòng)環(huán)境、節(jié)電顯著等方面都體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。特別是近幾年產(chǎn)品的優(yōu)化升級(jí),一些新技術(shù)(包括PLC)的應(yīng)用,使其可靠性應(yīng)用得到極大的提高。提升機(jī)變頻器實(shí)現(xiàn)了四象限運(yùn)行、電能的回饋等新技術(shù),其應(yīng)用前景將會(huì)是很廣闊的。

參考文獻(xiàn):
1、 杜秀虹 《礦山提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)》2005.10
2、 李瑞來 何洪臣 韓文昭 《礦山提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)》2000.9
作者簡(jiǎn)介:
周加勝 1967年生,現(xiàn)在山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司從事技術(shù)支持工作。
 
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本文標(biāo)簽:煤礦提升機(jī)的變頻改造(Coal mine elevator frequency conversion transformation)
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