试述矿井提升机变频调速控制系统的设计与改造

生产一线
试述矿井提升机变频调速控制系统的 设计与改造
ห้องสมุดไป่ตู้文⊙ 姚彩珍 （华亭煤业集团有限责任公司）
摘要： 随着电气自动化技术突飞猛进 的 发 展 ，提 升 机 电 气 设 备 从 传 统 的 分 立 元 件 控 制 ，发 展 到 今 天 的 全 数 字 控 制 、网络 化 控 制 ，智 能 化 水 平 越 来 越 高 。目 前 ，大 多 数 中 、小 型 矿 井 采 用 斜 井 绞 车 提 升 ，传 统斜井提升机普遍采用交流绕线式电机串 电 阻 调 速 系 统 ，电 阻 的 投 切 用 继 电 器 — 交 流 接 触 器 控 制 。这 种 控 制 系 统 由 于 调 速 过 程 中 交 流 接 触 器 动 作 频 繁 ，设 备 运 行 的 时 间 较 长 ，交 流 接 触 器 主 触 头 易 氧 化 ，引发 设 备 故 障 。另 外 ，提 升 机 在 减 速 和 爬 行 阶 段 的 速 度 控 制 性 能 较 差 ，经 常 会 造 成 停 车 位 置 不 准 确 。本 文 在 此 基 础 上 分 析 了 矿 井 提升机变频调控控制系统的设计。 关键词： 矿井提升机； 变频器； Ｐ Ｌ Ｃ ； 变频调速 矿井提升机是矿山生产的关键设备之一， 其作用为提升煤炭、矿石，升降人员和设备 等，在整个矿山生产中占有十分重要的地位。 而目前在矿井提升机中，能够在较大 功 率 、转 矩 型 负 载 、要 求 调 速 范 围 较 大 等 场 合 应 用 的 交 流 驱 动 调 速 方 法 ，以 绕 线 式 异步电动机转子串电阻（金属或液体电 阻）调 速 为 主 。这 种 串 电 阻 调 速 方 式 ，效 率 非 常 低 ，它 以 增 加 转 差 功 率 的 消 耗 来 换 取 转 速 的 降 低 。转 速 越 慢 ，效 率 越 低 ，大 部分功率被转换成热能而消耗掉。 采用价格便宜的交流感应电动机，用 变频调速方案就能很好地解决这个问题。 变频调速是通过改变定子供电频率来达到 电 机 调 速 的 目 的 ，无 论 转 速 高 低 ，其 机 械 特 性 基 本 上 与 自 然 机 械 特 性 平 行 ，所 消 耗 的转差功率都基本不变，因此效率很高， 有 着 明 显 的 节 电 效 果 ，且 调 速 的 平 稳 性 大 大 提 高 。在 节 能 、减 少 维 修 、提 高 产 品 产 量及产品质量等方面都取得了明显的经济 效益。是电机调速的发展方向。 一、矿井提升机变频调速控制系统的 总体设计 基于 Ｐ Ｌ Ｃ 控制的大功率长距离矿井提 升 机 变 频 调 速 控 制 系 统 由 主 轴 装 置 、动力 站、变 频 柜 、控 制 台 和 在 线 检 测 监 控 计 算 机组成。主轴装置由主轴、筒壳、支轮、制 动轮、轴承座等部件组成，完成人、物、料 的运输任务。动力站是由主电机、制动器、 减 速 器 和 底 座 等 组 成 ，主 电 机 通 过 减 速 器 向 提 升 机 提 供 牵 引 所 需 的 动 力；失 效 安 全 型 制 动 器 为 提 升 机 提 供 工 件 制 动 力 ，以保 证 系 统 安 全 可 靠 地 工 作 。变 频 柜 是 动 力 站 的 能 量 供 给 单 元 ，通 过 它 可 将 输 入 工 频 电 能转换成频率可调的电能提供给交流电动 机，以达到控制交流电动机转速的目的。 控制台是整个矿井提升机运输系统的控制 核 心 ，通 过 它 可 以 设 定 系 统 的 工 件 方 式 和 控制方式，可以发布系统的各种控制命 令，可 以 接 收 变 频 柜 和 动 力 站 的 各 种 回 馈 信 号 ，以 实 现 对 提 升 机 启 动 、加 速 、平稳 运 行 、减 速 、停 车 以 及 紧 急 制 动 等 各 种 控 制 功 能 。监 控 计 算 机 是 操 作 人 员 和 控 制 系 统 及 运 输 系 统 之 间 的 桥 梁 ，它 可 以 在 线 监 测 提 升 机 运 输 系 统 的 各 种 工 作 参 数 、工作 状态、故障参数和故障状态。 二、变频器容量选择 在一台变频器驱动一台电机的情况 下，变频器的容量选择要保证变频器的额 定电流大于该电动机的额定电流，或者是 变频器所适配的电动机功率大于当前该电 动机的功率。 考虑到电机性能上的差异及机械负载的 波动，变频器容量取电动机容量的１－２倍， 另外，也可根据生产机械所需的实际转矩与 稳定运行时的转速，求其乘积，得到所需电 动机的轴上功率，据此确定变频器容量。本 系统中的驱动电动机属有载启动的输送类机 械，所需电动机的轴上功率为 ２ ２ ０ Ｋ Ｗ ，按 １ ． ５ 倍容量就选择 ３ ３ ０ Ｋ Ｗ 以上变频器。 三、控制系统结构原理 大功率变频装置可以将工频三相交流电 经过交直变换之后经过逆变器，利用设定的 参数进行了逆变，使得输出为某一相应设定 频率的交流电。变频器输出频率的变化，将 导致电动机的输出转速变化，二者之间的关 系近似线性。这样，就起到了调速的作用。 在电路系统中，为了保证正常运行安 全，必须将设备可靠的接地，因此，变频 器的接地端也应可靠接地。主回路中，用 于连接制动单元和制动电阻的端子，用于 防止提升机在垂直方向上运行时，发生工 件在带动电动机运转，而产生很大的再生 电动势，即泵升电压过高，损坏变频器的 现象出现。加入外接制动电阻或外接制动 单元可消耗部分能量，提高变频器的工作 能力。根据变频调速原理，在变频器的控 制输入回路中接入频率设定电路，由 Ｐ Ｌ Ｃ 输出的模拟量，即电压或电流信号来控制 变频器的输出频率。此时的变频器输出频 率与设定电压或电流输入成正比。为了便 于监控变频器的运行状态并及时发现异 常，取出变频器的异常信号送到 Ｐ Ｌ Ｃ 的输 入模块，以作为变频器的事故报警信号。 由于提升机是在矿井使用，还需设计 防爆装置，在加上防爆外壳后，变频器产 生的热损耗不能排出会导致其温升过高而 影响正常运行，变频器的通风系统我的设 计为水冷系统，带有双循环热交换器，内 循环的水将变频器功率部件的热传导给空 气，空气经由外循环把热量排出井外。 提升机紧急制动系统为恒减速紧急制 动控制，它通过检测制动过程中的实际速 度值，换算为减速度，实现制动对减速度 的半闭环控制（即只能控制制动过程中液 压压力的下降，而不能使之上升） 。其基本 的控制原理为：设定一个“停止起始频 率” ，当变频器的工作频率下降时，变频器 将输出一个“频率到达信号” ，使主控系统 检测到紧急制动减速度达到预定值，保持 此时的制动压力来达到恒减速度的目的。 四、变频调速后提升机的工作过程 提升机经过变频调速改造后，系统的 工作过程有很大的变化。操纵杆控制电机 正三挡速度，反转三段速度。不管电机正 转 还 是 反 转 ，都 是 从 矿 井 中 将 煤 拖 到 地 面 上来，电 机 工 作 在 正 转 和 反 转 电 动 状 态 ， 只 有 在 满 载 拖 车 快 接 近 井 口 时 ，需 要 减 速 并制动，如图 １ 所示。
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图 １ 提升机工作时序图
图 １ 中，提 升 机 无 论 正 转 、 反转其工 作 过 程 是 相 同 的 ，都 有 起 动 、加 速 、中速 运 行 、稳 定 运 行 、减 速 、低 速 运 行 、制动 停车等七个阶段。每提升一次运行的时 间，与 系 统 的 运 行 速 度 ，加 速 度 及 斜 井 的 深 度 有 关 ，各 段 加 速 度 的 大 小 ，根 据 工 艺 情 况 确 定 ，运 行 的 时 间 由 操 作 工 人 根 据 现 场 的 状 况 自 定 。图 中 各 个 阶 段 的 工 作 情 况 说明如下： （１ ）第一阶段 ０ ～ｔ １ ：串车车厢在井 底 工 作 面 装 满 煤 后 ，发 一 个 联 络 信 号 给 井 口 提 升 机 操 作 工 人 ，操 作 工 人 在 回 复 一 个 信 号 到 井 底 ，然 后 开 机 提 升 。重 车 从 井 底 开 始 上 行 ，空 车 同 时 在 井 口 车 场 位 置 开 始 下行。 （２）第二阶段 ｔ１ ～ｔ２ ：重车起动后，加 速到变频器的频率为 ｆ ２ 速度运行，中速 运 行 的 时 间 较 短 ，只 是 一 过 渡 段 ，加 速 时 间 内 设 备 如 果 没 有 问 题 ，立 即 再 加 速 到 正 常运行速度。 （３ ）第三阶段 ｔ ２ ～ｔ ３ ：再加速段。 （４ ）第四阶段 ｔ ３ ～ｔ ４ ：重车以变频器 频率为 ｆ ３ 的最大速度稳定运行，一般，这 段过程最长。 （５ ）第五阶段 ｔ ４ ～ｔ ５ ：操作工人看到 重 车 快 到 井 口 时 立 即 减 速 ，如 减 速 时 间 设 置 较 短 时 ，变 频 器 制 动 单 元 和 制 动 电 阻 起 作用，不致因减速过快跳闸。 （６ ）第六阶段 ｔ ５ ～ｔ ６ ：重车减速到低 速以变频器频率为 ｆ １ 速度低速爬行，便于 在规定的位置停车。 （７ ）第七阶段 ｔ ６ ～ｔ ７ ：快到停车位置 时，变 频 器 立 即 停 车 ，重 车 减 速 到 零 ，操 作 工 人 发 一 个 联 络 信 号 到 井 下 ，整 个 提 升 过程结束。 绕线式电机转子串电阻调速，电阻上 消耗大量的转差功率，速度越低，消耗的转 差功率越大。使用变频调速，是一种不耗能 的 高 效 的 调 速 方 式 。提 升 机 绝 大 部 分 时 间 都处在电动状态，节能十分显著，经测算节 能 ３ ０ ％ 以上、取得了很好的经济效益。另外， 提 升 机 变 频 调 速 后 ，系 统 运 行 的 稳 定 性 和 安 全 性 得 到 大 大 的 提 高 ，减 少 了 运 行 故 障 和停工工时，节省了人力和物力，提高了运 煤能力，间接的经济效益也很可观。