王曉艷

摘 要：提升絞車(chē)是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，運(yùn)行特性復(fù)雜，速度快，慣性大，其電控系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性直接影響礦山的安全生產(chǎn)，一旦提升過(guò)程失去控制，或者未能按照給定速度運(yùn)行，就可能發(fā)生超速、過(guò)卷等重大安全事故，造成設(shè)備損壞甚至人員傷亡，給企業(yè)帶來(lái)重大損失。該文闡述了鉛硐山礦斜井絞車(chē)串電阻調(diào)速方式的固有缺陷和存在問(wèn)題，介紹了基于矢量控制的高壓變頻器在該礦改造中的應(yīng)用情況，實(shí)踐證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器 電控系統(tǒng) 調(diào)速 效果

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（b）-0038-01

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

陜西鉛硐山礦業(yè)有限公司3#斜井長(zhǎng)度650m，井巷傾斜坡度25°，絞車(chē)采用10kV/355kW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的串電阻調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)交流接觸器切除電阻達(dá)到調(diào)速目的。這樣的調(diào)速方式能耗高、調(diào)速性能差、脈動(dòng)大、不穩(wěn)定、有沖擊、維護(hù)費(fèi)用高。尤其該調(diào)速系統(tǒng)在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，存在人行車(chē)運(yùn)行時(shí)速度主要靠人員操作閘瓦控制，運(yùn)行忽快忽慢不平穩(wěn)；重負(fù)荷提升時(shí)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流過(guò)大偶爾造成過(guò)流跳閘；井口自動(dòng)摘鉤時(shí)，由于制動(dòng)不穩(wěn)定容易發(fā)生礦車(chē)“掉道”或“不脫鉤”等現(xiàn)象，對(duì)斜井提升的安全性有很大影響。

2 電控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

提升機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)歷了多種控制方式階段。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，目前電控系統(tǒng)的發(fā)展方向是將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)。變頻器的調(diào)速控制電路簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，可以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的恒加速和恒減速控制，克服了接觸器、電阻器、繞線電機(jī)電刷等容易損壞的缺點(diǎn)，降低了故障和事故的發(fā)生率，而且具有十分明顯的節(jié)能效果。尤其該調(diào)速系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)外提升機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。

3 變頻改造

為了保證絞車(chē)工作的可靠性和連續(xù)性，在保留原轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加高壓變頻電控系統(tǒng)。改造時(shí)，充分考慮系統(tǒng)工作的可靠性、安全性和可操作性。以變頻系統(tǒng)為主，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)作為后備，原系統(tǒng)的監(jiān)控保護(hù)功能采用雙PLC實(shí)現(xiàn)，使變頻保護(hù)與電阻調(diào)速系統(tǒng)成雙重保護(hù)，確保生產(chǎn)不受影響。

3.1 設(shè)備選型

通過(guò)對(duì)目前變頻器調(diào)速技術(shù)的實(shí)際考察和對(duì)比論證，最終選用了北京合康億盛變頻科技股份有限公司生產(chǎn)的基于矢量控制的高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)：型號(hào)IVERT-YVF10/048。

3.2 矢量控制概念

矢量控制簡(jiǎn)稱(chēng)VC，基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制變頻器不僅在調(diào)速范圍上可以與直流電動(dòng)機(jī)相媲美，而且可以直接控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化，是一中理想的調(diào)速方法，所以在許多精密或快速控制的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

3.3 電控系統(tǒng)構(gòu)成

考慮到電源電壓10kV，電動(dòng)機(jī)10kV/ 355kW，設(shè)計(jì)選用全數(shù)字高壓變頻提升機(jī)電控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用能量回饋特性的四象限變頻器，直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)形成電控系統(tǒng)。在基本不改變?cè)瓉?lái)設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加高壓真空開(kāi)關(guān)柜1臺(tái)，高壓工頻變頻轉(zhuǎn)換柜1臺(tái)，矢量控制的高壓變頻器調(diào)速器1臺(tái)和轉(zhuǎn)子短接開(kāi)關(guān)柜一臺(tái)，并進(jìn)行相應(yīng)的閉鎖。其中高壓開(kāi)關(guān)柜采用真空斷路器對(duì)10kV高壓進(jìn)線和主整流變壓器進(jìn)行開(kāi)、斷控制，并對(duì)高壓采用微機(jī)綜合保護(hù)裝置，具有過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、短路等保護(hù)。定子與轉(zhuǎn)子切換柜主要作用是在不同的拖動(dòng)系統(tǒng)切換，使用戶(hù)具有兩套完整的互備電控系統(tǒng)，既可使用變頻器拖動(dòng)，也可以使用原來(lái)的轉(zhuǎn)子串電阻和換向柜系統(tǒng)拖動(dòng)。定子/轉(zhuǎn)子切換柜設(shè)置兩個(gè)雙刀雙投的隔離開(kāi)關(guān)，主要對(duì)定子和轉(zhuǎn)子回路進(jìn)行切換，達(dá)到不同的兩套系統(tǒng)互為備用的效果。

3.4 系統(tǒng)特性

（1）PG矢量控制方式。變頻器采用PG矢量控制方式，系統(tǒng)可以對(duì)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，穩(wěn)定輸出正弦波電流。同時(shí)系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、加（減）速度特性好等優(yōu)點(diǎn)；（2）額定功率回饋能力。變頻器中功率單元采用PWM全控整流方式，通過(guò)控制整流側(cè)IGBT所產(chǎn)生的電壓與單元輸入電壓的相位差，從而控制電功率在電網(wǎng)與功率單元之間的流向，使變頻器最大回饋功率達(dá)到額定輸出功率，達(dá)到短時(shí)制動(dòng)的要求；（3）低頻高轉(zhuǎn)矩輸出。變頻器具有對(duì)轉(zhuǎn)矩電流單獨(dú)控制的特點(diǎn)，使電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下能夠輸出較大轉(zhuǎn)矩，滿(mǎn)足提升機(jī)對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求。此外，在絞車(chē)啟動(dòng)時(shí)，盤(pán)形閘松開(kāi)前變頻器能夠提供初始轉(zhuǎn)矩電流，避免礦車(chē)在斜井上松閘后溜車(chē)；（4）自動(dòng)識(shí)別參數(shù)功能。變頻器可通過(guò)“空載啟動(dòng)”模式進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，檢測(cè)空載勵(lì)磁電流I0和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于變頻器能否以最優(yōu)性能運(yùn)行至關(guān)重要。變頻器可通過(guò)“轉(zhuǎn)子定位”啟動(dòng)模式自動(dòng)辨別電機(jī)轉(zhuǎn)向，所以安裝時(shí)無(wú)需考慮編碼器及電機(jī)旋轉(zhuǎn)正方向，編碼器可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活安裝在電機(jī)軸端或尾端。此外，電機(jī)轉(zhuǎn)子及定子磁極一般不可見(jiàn)，而絕對(duì)值式編碼器不但可以同步檢測(cè)轉(zhuǎn)子的速度，而且能通過(guò)脈沖數(shù)量準(zhǔn)確計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于定子磁極的相對(duì)位置，從而將同步電機(jī)轉(zhuǎn)子提前定位到同步運(yùn)行狀態(tài)；（5）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。變頻器速度調(diào)節(jié)器會(huì)自動(dòng)調(diào)整電機(jī)速度，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)速通過(guò)脈沖編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制。以達(dá)到最快的速度響應(yīng)、最小的超調(diào)范圍；（6）很好抗干擾能力。功率單元與控制系統(tǒng)光纖通訊，強(qiáng)弱電之間完全隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

提升系統(tǒng)完成變頻調(diào)速改造以后，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，加減速快速平穩(wěn)，全速行時(shí)速度保持度好。啟動(dòng)和加減速階段基本不存在機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。

（2）實(shí)現(xiàn)提升絞車(chē)全過(guò)程變頻控制，四象限運(yùn)行，調(diào)速連續(xù)方便，使得斜坡道人行車(chē)運(yùn)行更加平穩(wěn)、安全。

（3）縮短了提升時(shí)間，產(chǎn)量高。新系統(tǒng)一勾的提升時(shí)間約為110s，時(shí)間效率得到提高。

（4）再生制動(dòng)，能量回饋，節(jié)約電能。

（5）閘瓦磨損小，輸入輸出諧波含量極低，對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染，對(duì)周邊設(shè)備無(wú)干擾，維護(hù)量小。

（6）起動(dòng)及加減速時(shí)沖擊電流很小，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，簡(jiǎn)化了操作、降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)絕大多礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)還是交流串阻調(diào)速繼電器—接觸器控制，效率低下，安全隱患多，如采用變頻系統(tǒng)改造，則可使提升機(jī)具有類(lèi)似直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良機(jī)械特性，具有接近1的功率因數(shù)和>95%的能量轉(zhuǎn)換效率，節(jié)能效果顯著，此項(xiàng)技術(shù)不僅提升過(guò)程性能優(yōu)良，而且使用維護(hù)簡(jiǎn)單，設(shè)備可靠性高，整機(jī)效率比以前大大提高，是礦山提升機(jī)傳動(dòng)的發(fā)展方向，推廣應(yīng)用前景廣大。

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