微能WIN-VC系列电流矢量型变频器在矿井提升机上的应用

作者:丘增红 文章来源:深圳市微能科技有限公司 点击数:352 发布时间:2012-07-23

一、引言

在20世纪90年代,我国已成为世界上第一大产煤国,我国煤炭资源丰富,劳动力廉价,本应在国际市场竞争中占有优势,但由于技术、管理、体制等原因,大多数煤矿的劳动力效率低下。在现代化矿井中,由于设备大型化,自动化水平较高,吨煤人工费用所占比例不大,但电费所占比例增加,要降低成本,增强煤矿开采企业的竞争力,因而对电能的使用效率提出了更高的要求。

矿井提升机是煤矿核心的生产用电设备。其作用是沿井筒或者轨道提升煤炭、矿石、升降人员和设备、下放材料的大型机械设备。它是矿山井下生产系统和地面工业广场相联接的枢纽,是矿山运输的咽喉。因此,矿井提升设备在矿井生产的全过程中占着极其重要的地位,其安全可靠尤为突出。在矿井生产过程中,提升设备出了故障,必然造成停产。轻者,影响煤炭产量,重者,则会危及人身安全。矿井提升设备由综合机械+电气传动控制设备集成一体,其成本和耗电量高。所以,在新矿井的设计和老矿井的改建设计中,确定合理的提升系统时,必须经过多方面的技术经济比较,结合矿井的具体条件,保证提升设备在选型和运转两个方面都是合理的,保证矿井提升设备经济性。

二、行业现状

在传统的矿井提升系统中,电机的调速方式为电机转子串电阻分级调速。该调速方式的弊端有:

第一、控制精度差。采用电机转子串电阻调速,属于有级调速,在不同速度段的切换中存在速度跳跃,其控制比较粗糙,定位不准确。

第二、工作可靠性不高。由于在电机转子侧串接电阻,而在分段调速过程中通常采用接触器短接上一级电阻,有时因电流过大,致使接触器的触点粘在一起,无法实现切换,从而造成超速等事故发生,严重影响系统工作的可靠性。

第三、维护工作量大。由于接触器对电阻进行分段切换,因此必须经常对接触器进行维护,大大增加了维护人员的工作强度。

第四、耗能。电机转子串电阻调速是一种转差功率消耗型的调速方式,在整个调速过程中,大量的电能被消耗在电阻上,非常不经济。

第五、稳定性较差。电机转子串电阻调速,当在低速段运行时,稳定性差。因为转速越低,电机特性越软,负载转矩波动时,引起的转速变化范围大,运行稳定性差。

三、发展趋势

随着电力电子技术的发展和变频技术的成熟,国家明文规定,在矿用提升绞车系统中,推荐使用交流变频调速器,代替传统的转子串电阻的调速方式。交流变频调速器对矿井提升设备进行驱动,具有如下优势:

第一,控制精度高。变频器采用电流矢量控制,使得交流电机的调速性能与直流电机几乎相等,控制精度非常高。

第二,工作可靠性高。变频器采用的是电子器件,寿命长,且具有完善的保护功能,用于矿井提升系统控制时,其可靠性更高。

第三,基本无维护工作量,减低了维护人员的工作强度。

第四,调速范围宽广,属于无级调速,低速时稳定性好。

第五,节能。变频器属于转差功率不变的调速方式,在整个调速过程中其节能方式表现为:当矿井提升设备处于向上提升状态时,电机工作于电动状态,负载特性为恒转矩,其转速降低比例与节电率成正比。

四、矿用提升机系统构成及保护功能

矿井提升变频电控系统要有由变频器柜、操作台、制动单元柜、电阻柜、油压系统等五个主要部分组成。如下图所示:

矿井提升变频电控系统要有由变频器柜、操作台、制动单元柜、电阻柜、油压系统等五个主要部分组成

操作台是矿井提升机电控系统的控制中心。集成的功能有位置、速度、温度、压力、电流等必要的信号采集传感器和终端执行设备。操作台上的操纵杆及按钮来控制矿井提升机的运行,并通过指示灯和液晶屏及时了解矿井提升机的运行状态,运行参数及各种控制元器件的工作情况。

根据《煤矿安全规程2007》,《煤矿提升机绞车安全检验规范》标准,矿井提升机控制系统必须使用PLC双备份冗余设计+触摸屏方案,实现了全数字化智能化控制,矿井提升机控制系统具备以下保护功能:

1)过卷保护

当上下过卷时,深度指示器行程开关动作或提升容器越过系统设置的过卷点时,提升机(或绞车)必须安全制动动作,显示屏上显示过卷故障。

2)超速保护

安装在电机端的速度传感器测出绞车运行速度为1.15倍额定速度时,断开安全回路,同时显示屏上显示超速故障。

3)上、下减速保护

当提升容器运行到减速位置时,深度指示器上行程开关动作,绞车自动减速,同时操纵台上的声光报警器报警。

4)上、下限速保护

当提升容器过减速点后至限速点时,绞车运行速度超过2m/s时,安装深度指示器上限速开关动作,限速继电器动作,断开安全回路。

5)过负荷和欠电压保护

过负荷时,变频器故障回路保护,安全回路断电,欠电压时,断路器跳闸断电;

6)深度指示器失效保护

安装在主轴上的速度传感器与深度指示器上的速度传感器将所处位置的速度变化信号同时输入系统,经对比后,确认变化不一致时,深度指示器继电器动作,断开安全回路并显示故障内容。

7)松绳保护

松绳时,由保护装置触动松绳行程开关,松绳开关动作,断开安全回路并报警;行程开关的安装位置根据现场情况选定。松绳现象发生后,绞车只允许往上慢速提升,否则绞车不能开动;

9)信号保护

⑴绞车没有接到开车信号时,不能启动;

⑵绞车的开车信号与操作要求的提升方向不一致时,不能启动(错向保护);

10)系统的必要连续保护:

⑴零位保护

操纵手柄不在零位时,安全回路不能接通,绞车无法启动;

正反转互锁

a、正反转只能单向操作;

b、从正转转换到反转或从反转转换到正转时,必须经过停车位置后,才能按给定方向信号改变运行方向,以免产生错误操纵;

c、制动液压站的油压、油堵、油温保护

当系统检测油压超过或低于某一设定值时,系统发出故障信号保护,安全回路断开,此时绞车不能工作。当压力油温超过700C时,系统只允许完成该次提升(下降)运行过程,在故障没有排除时,不能进行第二次重复运行。

11)油泵电机保护

由热继电器执行在过负荷下热继电器动作保护;

12)润滑保护

⑴润滑站启动后,方能启动主电机;

润滑站失压或超温时,切断安全回路。

13)电器系统自我保护

运行过程中发生变频器过流、欠压、过负荷、缺相、电机过热、变频器过热、制动单元过热、系统失速、跳速等故障时系统将自动进行自我保护,切断安全回路,同时操纵台上显示屏显示故障内容。

启动时的电气联锁保

(1)接通主机电源后,主电机在没有进入零速制动状态时,盘形闸不能松开;

(2)盘形闸没有完全松开时,主电机仍然不能起动;

15)停止时的互锁

操作手柄回到零位时主电机停止运行,电机将首先进入零速制动状态。

矿井提升机对变频器的要求

用户为了提高产量和效益,超载运行现象非常常见,对整个机械传动和电控部分都要求具备超强的过载能力。矿井提升机上行、下行的运行过程中,根据容器运行在井筒或者轨道的位置,操作工来调整对应不同的速度。矿井提升机上行时,电机工作在一、三象限,电机处于电动状态,工作电流与上行速度和提升重量有关,其负载特性属于恒转矩负载。由井口下行时,电机工作在二、四象限,电机处于再生发电状态,需要将再生电能通过制动单元的控制,将电能消耗在制动电阻上,以防止母线电压泵升,导致变频器跳过压保护。下行速度完全可控,避免了传统操作模式在容器下行时,容易出现失控导致的飞车危险,安全系数大大提高。WIN-VC电流矢量型变频器具有动态性能好、低频转矩大的优点,在开环矢量控制模式下1HZ可输出150%的转矩,完全可满足矿井提升机的控制要求。其主要性能特点有:

采用对话式宽屏4行LCD液晶显示,界面友好,可实现显示中文、英文、德文、法文、俄文等多国文字;

超强2.5倍过载能力,满足矿井提升机150%载荷设计要求;

适用于高精度、快速响应、高转矩、大惯量、位势负载等高端场所;

具有节能控制、速度控制、滑差补偿、转矩补偿、力矩控制、零伺服控制,完美的电机动态自学习实现电机的高效运行;

四种控制方式:开环V/F控制,闭环V/F控制+PG,开环矢量控制,闭环矢量+PG。其四种控制模式对比如下:

四种控制方式

五、矿井提升机电气系统方案及参数设置

变频器运行命令、频率指令采用外部端子运行和给定的方式:正转(上行提升),反转(下行下放)、外部故障、故障复位等指令从操作台发出,经过PLC运算和逻辑判断后,经I/O口和模拟量输出模块控制变频器工作状态,实现远程控制。

鉴于矿井提升机一般工作在偏远山区,电源电压的波动范围达±15%,考虑到矿区用电设备负荷分配的不规范导致相间电压的平衡度差,建议在变频器的输入端配置输入电抗器。可起到稳定变频器的工作电压,抑制高次谐波,减小对PLC及触摸屏干扰,减小因输入电压和负荷的变化,减小了对变频器内部整流模块的电流冲击,提高了整个系统的安全运行。

1)变频器电气控制原理图

变频器电气控制原理图

2)变频器的参数设定

变频器的参数设定

六、结束语

在矿井提升机引入变频技术后,系统具有以下优点:

1)操控简便、安全可靠。液压系统与变频系统的完美结合,系统冲击电流小,控制快速、精准。

2)硬件故障率大大降低。电机软动启、软停止,减少对电机和减速器的机械冲击。盘形制动器轴向浮动,制动盘两边平衡压力,保护制动盘不变形。

3)保护功能非常强大。配置深度失效保护、过速保护、松绳保护、减速停车过卷保护、碟型弹簧失效保护、闸间隙保护、调绳保护、欠电压和过电流等保护功能。

4)提高生产效率,节能效果明显。