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高壓變頻器在礦山提升機(jī)上的應(yīng)用

 

1.引言
　　礦山提升機(jī)是礦山生產(chǎn)的至關(guān)重要的大型設(shè)備，對礦井的生產(chǎn)及安全起著非常重要的作用，因此，它的電氣傳動及控制裝置一直是各國傳動界的一個重要研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)大多數(shù)礦井提升機(jī)采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的交流調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)前投產(chǎn)的大、中型礦井的提升機(jī)多數(shù)采用磁場換向的晶閘管直流可逆調(diào)速系統(tǒng)。而采用全數(shù)字變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)代表礦井提升機(jī)技術(shù)的先進(jìn)水平。
　

　2.原礦山提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)簡介
　該提升機(jī)絞車采用線繞式異步電動機(jī)，用轉(zhuǎn)子串電阻的方法調(diào)速。這種系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，低速轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)差功率大，啟動電流和換檔電流沖擊大，中高速運(yùn)行振動大，制動不安全不可靠，對再生能量處理不力，低速運(yùn)行到終點(diǎn)時易出現(xiàn)“過卷”現(xiàn)象，故障率高，運(yùn)行效率低等缺點(diǎn)，礦用生產(chǎn)是24小時連續(xù)作業(yè)，即使短時間的停機(jī)維修也會給生產(chǎn)帶來很大損失。集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)下決心對該提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，而焦作華飛公司是中國最大的礦用提升機(jī)電控生產(chǎn)基地，技術(shù)力量雄厚?；诖?，選用了華飛公司生產(chǎn)的變頻提升機(jī)電控系統(tǒng)。我們根據(jù)華飛公司和新三礦的要求，研制出了高壓提升機(jī)專用變頻器，填補(bǔ)了國內(nèi)高壓提升機(jī)方面的空白。
　　由于提升類負(fù)載對變頻器有著不少特殊的要求，所以一般普通變頻器不可能直接用到提升機(jī)上。提升機(jī)對變頻器要求有以下主要特點(diǎn)：
　?。?）要求可靠性高
　?。?）要求能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，解決能量回饋
　?。?）要求有完善的數(shù)字控制功能
　?。?）技術(shù)指標(biāo)要求高（例如啟動轉(zhuǎn)矩2倍以上，150%額定電流以下連續(xù)運(yùn)行，200%額定電流一分鐘保護(hù)）
　?。?）要求適應(yīng)惡劣的使用環(huán)境
　?。?）要求標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信接口
　　（7）運(yùn)行速度曲線成S形，加減速平滑
　　原礦山提升機(jī)絞車電機(jī)有關(guān)參數(shù)：
　　型號 JR158-8
　　功率 380KW
　　電流 47A
　　電壓 6000V
　　轉(zhuǎn)速 735r/min
　　3.新風(fēng)光電子公司JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速器
　　我們山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司根據(jù)與用戶的協(xié)議，為該提升機(jī)絞車配備了我公司生產(chǎn)的JD-BP37-400T（400KW）高壓提升變頻調(diào)速器。以下是對JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速器的一些介紹。
　　3.1 JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速器簡介
　　JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速器采用最新型IGBT為主控器件，全數(shù)字化，彩色液晶觸摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速器，采用先進(jìn)的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)完成提升機(jī)的四象限運(yùn)行，用于鼠籠式電機(jī)或繞線式轉(zhuǎn)子串電阻電機(jī)控制，即可用于新礦井安裝，也可用于老礦井改造。
　　風(fēng)光高壓提升變頻器，采用若干個低壓逆變器功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出，所用的6kv高壓提升變頻器，變壓器有18組付邊繞組，分為6個功率單元∕相，三相共18個單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分滿足國標(biāo)規(guī)定。
　　JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。
　　3.2功率單元電路
　　每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其主電路結(jié)構(gòu)如圖2示，為基本的交-直-交雙向逆變電路，通過整流橋進(jìn)行三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓，通過對逆變塊B中的IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制實(shí)現(xiàn)單相逆變。當(dāng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，逆變塊B中的二極管完成續(xù)流外，又起全波整流，使能量能夠轉(zhuǎn)移到濾波電容中，結(jié)果母線電壓升高，達(dá)到一定程度后，啟動逆變塊A，進(jìn)行SPWM逆變，通過輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過變壓器將能量回饋到電網(wǎng)。
　　3.3輸入側(cè)結(jié)構(gòu)
　　輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，每個功率單元都承受電機(jī)電流、1/6的相電壓、1/18的輸出功率。18個單元在變壓器上都有自己獨(dú)立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實(shí)現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。
　　3.4輸出側(cè)結(jié)構(gòu)
　　輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過對每個單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖3.所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機(jī)的絕緣損壞，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造;同時，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。
　　3.5控制器
　　控制器核心由高速DSP和工控PC機(jī)協(xié)同運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制?？刂破饔糜诠耋w內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
　　4.JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速器主要技術(shù)性能
　　4.1高——高電壓源型變頻器，直接6KV輸入，直接6KV輸出，
　　無須任何輸出變壓器或?yàn)V波器，適配于普通高壓電動機(jī)，對電機(jī)、電纜絕緣無損害。
　　4.2 輸入功率因數(shù)高，電流諧波小，無須功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波抑制裝置。
　　4.3 單元電路模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡單，互換性好。
　　4.4 輸出階梯正弦PWM波形。
　　4.5 可提供2倍以上的啟動轉(zhuǎn)矩。
　　4.6可提供直流制動、回饋制動等多種制動方式。
　　4.7可滿足電動機(jī)的四象限工作要求。
　　4.8高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強(qiáng)弱電隔離，安全可靠。
　　4.9 完善的故障檢測，精確的故障保護(hù)及準(zhǔn)確的定位顯示和報警。
　　4.10內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，可靈活選擇現(xiàn)場控制/遠(yuǎn)程控制，適應(yīng)現(xiàn)場多變需求。
　　4.11 采用載波移相控制技術(shù)，大大抑制了輸出電壓的諧波成分，保證輸出波形是完美正弦波。
　　4.12 控制電源與高壓電相互獨(dú)立，無高壓可以檢測變頻器輸出，便于現(xiàn)場調(diào)試以及培訓(xùn)操作人員，便于維護(hù)。
　　4.13 采用準(zhǔn)優(yōu)化SPWM調(diào)制技術(shù)，電壓利用率高。
　　4.14 功率單元經(jīng)24小時高溫老化、150%負(fù)載試驗(yàn)，可靠性高。
　　4.15 中文Windows 操作界面，彩色液晶觸摸屏操作。用戶操作監(jiān)控系統(tǒng)界面十分友好和完善，系統(tǒng)包括上位機(jī)（商用PC機(jī)）、下位機(jī)（工控機(jī)）、單片機(jī)。其中單片機(jī)給用戶提供一個4位LED數(shù)碼顯示屏和一個12鍵的小鍵盤操作平臺，可對變頻器進(jìn)行全部操作，包括參數(shù)設(shè)置和各種運(yùn)行指令。工控機(jī)用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺，其功能更齊全，包括參數(shù)設(shè)定、功能設(shè)定、運(yùn)行操作、運(yùn)行數(shù)據(jù)打印、故障查詢等等。上位機(jī)（商用PC機(jī)）放在總控室，可對多臺變頻器進(jìn)行遙測、遙控。若只有一臺變頻器，上位機(jī)可省，或讓客戶自定。
　　4.16 可接收和輸出多路工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號。
　　4.17 可打印輸出運(yùn)行報表。
　　5.基本控制要求
　　5.1直流制動
　　本提升機(jī)用變頻器，直流制動對提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到重要作用，當(dāng)重車在中間停車時，PLC檢測到停機(jī)信號后給控制器發(fā)出一信號，讓提升機(jī)由高速平滑地降到低速，然后由控制器發(fā)出直流制動信號，使提升機(jī)停止，待PLC檢測到機(jī)械制動起作用的信號后，PLC發(fā)出信號讓控制器去掉直流制動信號，使提升機(jī)靠機(jī)械抱閘一類的裝置起作用。啟動時，先對提升機(jī)施加一直流制動信號，PLC檢測到機(jī)械抱閘信號后發(fā)出信號給控制器去掉直流制動信號，然后由控制器加上啟動電壓讓提升機(jī)開始轉(zhuǎn)動。
　　5.2運(yùn)行速度的控制
　　為了減少運(yùn)行過程中的機(jī)械沖擊，在提升機(jī)啟動和停止過程中，做到加速度連續(xù)，因不同的頻率，對應(yīng)不同的加減速速率，在本裝置的控制中，將不同頻率時的加減速速率規(guī)劃成一個表格，運(yùn)行中用查表的方法確定對應(yīng)頻率時的加減速速率，使提升機(jī)平滑運(yùn)行，減少機(jī)械沖擊。
　　5.3自動限速保護(hù)
　　在運(yùn)行到終點(diǎn)時，由限速開關(guān)給出減速信號，PLC檢測到減速信號后發(fā)送給控制器，由控制器啟動自動減速程序，使工作頻率按設(shè)定要求逐步變?yōu)榈退龠\(yùn)行。提升機(jī)帶有測速發(fā)電機(jī)，當(dāng)測速發(fā)電機(jī)給出超速信號，PLC檢測該信號發(fā)送給控制器，進(jìn)入自動減速運(yùn)行。
　　5.4再生能量處理
　　電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，功率單元母線電壓Vbus升高，當(dāng)母線電壓超過電網(wǎng)電壓的1.1倍時，CPU根據(jù)比較器和相位檢測的結(jié)果輸出六路SPWM波形，使逆變塊A中的IGBT工作，通過輸入電感，電動機(jī)的再生能量最后通過移相變壓器回饋到電網(wǎng)。
　　6.變頻調(diào)速系統(tǒng)對原調(diào)速系統(tǒng)的改造
　　為了確保安全可靠，讓變頻調(diào)速系統(tǒng)與原調(diào)速系統(tǒng)并存，互為備用，隨時可以切換。同時為了讓操作者不改變操作習(xí)慣，工、變頻系統(tǒng)都用原操作機(jī)構(gòu)操作。
　　7.現(xiàn)場應(yīng)用情況及運(yùn)行效果
　　設(shè)備改造工程于2005年4月調(diào)試成功。使用變頻器后有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　7.1.變頻系統(tǒng)無需原電控調(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，使噪音及室溫降低。
　　7.2.調(diào)速連續(xù)方便，連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。
　　7.3.實(shí)現(xiàn)了低頻低壓的軟起動和軟停止，使運(yùn)行更加平穩(wěn)，機(jī)械沖擊小，避免了掉道現(xiàn)象。
　　7.4.啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大電流不超過1.3倍的額定電流，提升機(jī)在重載下從低速平穩(wěn)無級平滑的升至最高速，沒有大電流出現(xiàn)，減小了對電網(wǎng)的沖擊。
　　7.5.增加了直流制動功能，使重車停車時更加平穩(wěn)，有效避免了“溜溝”現(xiàn)象。
　　7.6.采用回饋制動技術(shù)，成功解決了位能負(fù)載在快速減速或急停時的再生發(fā)電能量處理問題，保證了變頻器的安全運(yùn)行。
　　7.7.節(jié)能效果顯著。據(jù)實(shí)測，在低速段節(jié)能明顯，一般可達(dá)到37%以上。
　　7.8.采用變頻控制后，原繞線式電機(jī)可改為普通電機(jī)，這不但降低了成本，普通電機(jī)比繞線式電機(jī)可節(jié)約投資1/3，而且電機(jī)維護(hù)方面，避免了轉(zhuǎn)子炭刷的燒損及維護(hù)。
　　8.結(jié)束語
　　礦山提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有控制性能優(yōu)良、操作簡便、運(yùn)行效率高、維護(hù)工作量小等諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟與能源節(jié)約要求的必然趨勢，它正成為礦山提升機(jī)傳動的發(fā)展方向。