转子变频技术在矿山提升机中的应用

转子变频技术在矿山提升机中的应用
摘要采用PLC控制的转子变频技术解决继电器和接触器控制的TKD电控技术所产生的故障率高，动作不可靠，能耗高、效率低、噪声大等突出问题。

关键词 PLC 转子变频技术节能安全
一、项目背景
矿井提升机承担矿物的提升、人员的上下、材料的运送等任务，是矿山大型关键设备，而其电控系统更是关键中的关键，它的技术性能和可靠性直接影响煤矿的安全生产和经济效益。

十矿西风井主井提升机安装于建井初期，已经运行多年，产品属于仿苏设计，生产日期为1958年，主机采用角移式制动闸已不符合煤矿安全规程规定要求。

同时西风井主井电控系统为TKD电控，TKD电控上世纪60年代开始使用于地面绞车和井下暗斜井绞车上，其已被国家安监总局列为“禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（第二批）”中，其原因主要有以下几点：
1.故障率高，动作不可靠，接触器触头易烧损，安全性差。

2.能耗高、效率低、噪声大。

为此，我们必须通过技术改造来满足新要求，通过详细技术论证与调研，为节约有限资金，在更改主轴装置的同时，采用转子变频技术实现提升机更新。

二、转子变频优点与技术原理
转子变频调速是将成熟的低压变频技术应用于高压电机调速的一项最新科技成果，其融和了当代最先进电力电子技术、交流调速技术、微机控制技术，特别是其独有的以转子控制定子、以低压控制高压技术，使其在众多风机和水泵以及提升机高压大中功率电动机的调速方案中独树一帜，具有其它调速方案不可替代的优越性。

中高压电机，主要为三相异步电动机，包括鼠笼型和绕线型，高效率的调速方式有两种，即定子侧变频和转子侧变频。

定子侧变频也
叫高压变频，普遍应用鼠笼型电动机，其性能较好，但因为系统直接接高压电网，所以技术复杂、体积庞大、可靠性较低、价格昂贵。

转子侧变频调速也叫转子变频调速，使用绕线型电动机，将变频调速基本原理应用于转子侧，因为转子侧使用低电压，所以技术复杂度降低、体积大为缩小、可靠性高、价格适中。

1.转子变频的优点
⑴ 可以用400～1000V 低压变频器来控制6～10kV 中压电动机的转速。

⑵ 所需逆变器的容量较小，仅为电动机功率的20%～30%，由于转差功率回馈至电网（或电动机），故能大大节约电能，可达30%以上。

⑶ 原理结构简单，使用的低压IGBT 的数量远远少于10kV 定子侧中压变频装置的中压IGBT ，无须配置大容量电抗器，故障率大为降低。

⑷ 与普通串级调速相比，功率因数较高，谐波较小。

若采用IGBT 逆变器，则无5、7次谐波。

2.转子变频的工作原理
大容量的异步电机，根据电机转子结构的不同分为鼠笼式和绕线式两大类。

异步电机的转速和功率的关系为：
11(1)m s p p p p s =-=-
121(1)n n n n s =-=-
式中，11()/s n n n =-为转差率；
P 1为电机定子输入的电磁功率；
P m 为电机轴输出的机械功率；
P s ＝sP 1为转子电路的转差功率。

n 1＝60f 1/p 是定子电流产生的定子磁场的转速，也称同步转速； n s ＝sn 1＝60f 2/p 是转子电流产生的转子磁场的转速。

因为n s =n 1－n ，所以n s 也称作转差速度。

电机轴转速
112()60/s n n n f f p =-=-
这里，p 为电机的磁极对数。

显然，电机的转速是由定子绕组电流频率f 1和转子绕组电流频率f 2共同决定。

改变定子电流频率f 1和改变转子电流频率f 2都能改变电机轴转速。

鼠笼式电机，转子绕组在内部闭合，在电磁感应的作用下产生转子电流，转子电流频率f 2由转差速度决定。

若要人为改变电机速度，只能通过改变定子电流频率f 1来实现。

由于鼠笼式电机仅能从定子输入电功率，所以变频调速需要的变频器容量不能小于电机功率。

绕线式电机，转子绕组通过滑环和电刷引到电机外面，构成转子回路。

以往是在转子电路中接入起动电阻，用来增大起动转矩和减小起动电流。

现在是将转子变频器串接在电动机转子回路中，定子电流频率f 1不变，强制改变转子电流频率f 2，于是构成转子变频调速运行方式。

由于转子变频器接在转子回路，涉及的是转差功率Ps 。

转差功率的大小为Ps ＝sP 1，与转差率s 即速度变化范围有关。

转子变频需要的变频装置功率不会超过电机额定功率的30%。

在转子变频调速的运行过程中，变频器的微处理器CPU 采集电动机运行时转子电流、频率和电压信号，处理后给晶闸管交/交变频器发出控制指令。

晶闸管交/交变频器将工频电源变为和转子电流同频率的电源，加在电机转子回路中，改变转子电流的频率，从而改变电机的旋转速度。

变频器在改变频率的同时，还可以改变转子电流和转子电压的相位关系，进而通过磁场改变电机定子电流和定子电压的相位关系，提高电机自身的功率因数。

电机自身运行的功率因数提高，电机定子电流下降，电机自身的铜损和温升降低，电动机的过载能力增大，电机的运行状况得到改善。

可使电机综合功率因数提高到0.93以上，无功功率降低60%，可降低电机定子电流10%～20%，节约线损铜损
20%～30%。

因此，高压电机采用转子变频调速方式，不必安装用来无功补偿的高压电容，就可以实现比安装高压补偿电容还要优越的无功补偿效果。

4.转子变频的接线图
由接线图可知，转子变频由整流变压器、整流/回馈单元、逆变单元以及信号等部分组成。

将6KV绕线电机定子短接，向转子提供0—50Hz变频电源。

选用西门子公司6SE70系列逆变器+整流回馈装置，具有调速范围广，调速精度高，调速性能好的特点，当提升机运行于负力状态时，变频器自动向供电电网发电，使电动机处于发电回馈制动状态工作，运行平稳，而且节省了大量的电能。

三、经济效益分析
1.直接经济效益
⑴避免了购买变频电动机的资金，直接节约20万元左右。

⑵节省了安装新电动机所需的人工与改变电动机基础所需的资金大约10万元左右。

⑶十矿西风井主井现主要是下放物料，提升矸石。

原切电阻系统电耗主要在转子电阻上，现变频后下放重物时可全反馈电网，按节电20%计算，去年主井全年电耗为75万元左右，全年可节电15万元左右。

2.间接经济效益
⑴司机操作更加合理，采用变频技术后，司机根据需要操纵主令控制器就可使提升机平稳加减速，一般不需要工作闸配合，使操作简单方便。

⑵由于采用全反馈下放重物，下放重物时系统向电网反馈电能，该节能效果无法具体计算。

原切电阻时电能均消耗在转子电阻上。

⑶系统占地空间小，工业噪音明显降低，使职工工作环境明显改观。

⑷在PLC程序采用双程序，即保留原转子切电阻系统功能，使其作为主系统的备用程序，增加了系统的安全性。

四、十矿西风井提升机电控系统总体技术特点
西风井主井绞车采用变频技术后，因变频技术没有简易开车系统，为此我们保留了原电阻箱，并在PLC程序内设置了一套完整的交流PLC控制系统，在变频系统出现不可短期内恢复的问题是，在电控柜内切换高压短接点（转子变频时高压定子需要短接），停用变频、整流柜电源，切换变频柜转子线路到电阻箱；送上交流PLC电源后，主控柜直接控制高压换向柜，电控系统转入交流PLC运行，交流PLC附带动力制动装置，系统同样完整可靠。

五、总结
转子变频技术在十矿西风井提升机的应用节约了有限资金，不仅完全能够符合国家关于提升电控的要求，而且达到了节能高效的效果。

系统选用美国通用公司生产的GE系列可编程序控制器。

采用主、副两套美国通用公司生产的GE可编程控制器。

应用PROFIBUS-DP 现场总线技术，使控制系统简化、维护方便，提高控制精度及安全可靠性。

上位机、主控PLC、副PLC，主传动设备6SE信号系统通过
PROFIBUS现场总线构成局域网，并且可以与地面生产调整或全矿集中控制系统联网通讯。

主PLC包括主机架、电源模块、CPU模块、高速计数器模块、模拟量I/O模块、数字量I/O模块等。

对整个系统的工作进行控制和管理，其中主要包括对液压站的控制、执行正常的操作程序、接受并生成开车信号和方向信号、实现各种故障保护及闭锁。

同时还包括与上位机通讯及远程监控等功能。

副PLC采用与主PLC同样CPU的一套可编程控制器，主、副两套PLC可实现双线制保护。

对影响提升运行的关键信号（如速度、容器位置、减速、过卷等）均采用多重保护，互为监视，具有全行程速度和位置保护功能。

应用至今运行良好，为我公司将来高压电机技术改造做出了尝试，取得非常好的效果，系统安全可靠，采用变频主系统，交流PLC辅助备用，为矿井的安全生产运行做出巨大的贡献。