交直交变频器在矿山提升系统中的应用

【摘要】介绍了计算机提升控制、交 -直 -交变频调速异步电机拖动的矸石山绞车电控系统的原理、结构框图及系统的主要技术特征。本系统以两套PLC为控制核心， 以变频器为调速手段， 完成提升机的控制、保护及信号采集等功能。经长时间运行证明， 其技术合理、效率高、安全可靠，能完全满足各项工艺要求。

【关健词】矸石山绞车;变频调速;应用

1.引言

淮南矿业集团张集煤矿采用采区前进式开拓方式， 在矿井投产后的生产过程中， 其巷道开拓量以及与此相关的矸石运输量比传统开拓方式都要大，这就要求矸石运输系统， 特别是矸石山绞车的运行必须高效和可靠。经深入研究、对比，张集矿矸石山绞车在电控系统在设计选型上，充分利用当今交流电机拖动控制的先进技术，采用交-直-交变频传动装置调速，整个系统具有工作和安全可靠性高、经济合理性的特点， 完全满足了各项工艺要求。

2.提升系统变频拖动设计

2.1 提升系统基本技术参数

提升机型号：ZJK-2/30E双筒单绳矿用提升机

卷筒直径：2m

提升速度：3.4m/s

电动机：YR315M-6，160kW，380V

定子电流：298A

提升斜长：275m（矸石山双轨道斜长）

倾角：20°

图1 速度图及力图

2.2 拖动系统选型及构成

在煤矿矸石山绞车电力拖动中，到目前为止，几乎都采用绕线型异步电动机传动在转子回路内接入金属电阻，用接触器切除电阻的方法实现调速。这种调速方式从原理上仅适用于起动阶段电动力可控加速和动力制动可控减速调速。由图1可知，典型的矸石山绞车在减速阶段为电动力可控减速，因此常用的异步电机转子切换电阻调速方式是不适用于矸石山绞车运行工况的。理论和实用都证明，这种调速方式控制特性差，而且极不安全。多年来翻矸车过卷，以至于翻矸架头被拉翻的事故屡屡发生，严重地影响生产连续和安全。它的另一个缺点是运行特性出现阶跃性变化，对机械及电气设备产生冲击，再有其调速是属转子功率消耗型调速方式，能耗很大，电控系统运行的效率低，而且运行维护量大。因此，这种调速方式不是今后的发展方向。

张集煤矿矸石山提升机电控系统经认真调研选用了采用芬兰瓦控公司（Vacon）生产的Vacon160交-直-交变频器进行调速。变频器将输入的380V工频交流电压，根据调速需要变成为所需的频率和电压，输出至电动机实现绞车调速运行。该变频器采用矢量控制方式，有电流、速度闭环，具有良好的调速性能，可满足四象限运行要求。变频器的控制是由微处理器完成的，各项功能均由微处理器软件实现。微处理器根据检测信号、参数设定值和来自I/O模块及控制面板的指令对电机进行调速控制。变频器的控制面板是用户与变频器间的控制界面，用户可利用控制面板来设置参数数值、读取状态数据和给出控制指令。

图2 变频调速传动部分构成

2.3 制动电阻的计算

在提升机运行过程中，需要电动机由高速迅速减速到低速状态，在异步电动机因设定频率突降而减速时，如果轴转速高于由频率所决定的同步转速，则异步电动机处于再生发电运行状态。运动系统中所存储的动能经逆变器回馈到直流侧，中间直流回路的滤波电容的电压会因吸收这部分回馈能量而提高。如果回馈能量较大，则有可能使变频器的过电压保护功能动作。利用制动电阻可以耗散这部分能量，使电动机的制动能力提高。Vacon变频器内部的制动斩波器是根据连续驱动功率来确定的，制动电阻是一个外接的、低阻抗电阻器。

Vacon NX系列变频器每一个功率等级的最小电阻和最大电流值可以在所给手册中查出，其中，Vacon 160所对应的参数为：最小制动电阻1.3欧姆，最大电流值600安培。在任何情况下，都要保证这些参数值，并且电阻必须能够经受高温的考验。在上述参数下，即Imax=600A，Rmin=1.3Ω时，得到Umax=780V，因此Pmax=Umax* Imax=468kW，在这种情况下，要求制动电阻的最大功率处理容量为468kW。本系统额定功率为160kW，因此可以适当降低制动电阻的功率处理容量。我们选择的制动电阻为3.9Ω，为最小制动电阻的3倍，在最大电压不变的情况下，最大制动电流为200A，此时的最大功率为156kW，可以满足系统的要求。

3.系统调试

矿井提升系统需要对速度进行精确的控制，为了使系统具有良好的动、静态性能，变频器采用速度闭环的矢量控制方法。在试运行之前，首先要对变频器的各项参数进行设定。此外，变频器还能够自动地调节不同电机的参数。比如，电机的磁场电流、速度控制参数等都能被变频器自动辨识。但为了得到最好的辨识结果，要求该辨识过程应在无负载的情况下进行。

3.1 试运行

变频器在正式投入运行前，先驱动电动机空载试运行几分钟，在运行时可选择是由I/O端子控制还是由控制面板来控制。先选择由I/O端子控制，首先将Start/Stop开关置于ON为止，然后选择在5、10、15、20、25、35、50等几个频率点运行，此时主要检查以下几点：

（1）校对电动机的旋转方向。

（2）电动机是否有不正常的振动和噪声。

（3）电动机的温升是否过高。

（4）电动机的轴旋转是否平稳。

（5）电动机升降速时是否平稳。

（6）控制面板的监测菜单中检查输出频率是否跟随频率参考值变化。

检查完毕后，将Start/Stop开关置于OFF位置。试运行正常后，就可以按照系统的要求进行功能单元操作或控制端子操作。

3.2 系统调试

为便于调试，变频器采用计算机控制，计算机与变频器通过一根RS232通讯电缆将它们串行连接。

（1）开环状态下运行

在不同频率下观察电机运行情况，在试验中分别进行了5Hz，15Hz，25Hz，35Hz，50Hz的试验，电机运行情况良好，且调速平滑，效果很好，以下为其中5Hz，25Hz运行时的速度、电压、电流曲线，由于是空载运行，电流上升下降都很快。

（2）闭环状态下运行

将变频器设置为闭环控制，在5Hz，15Hz到50Hz等几个频率点运行，发现电机运行平稳。在闭环控制时，当速度或电流有一定波动时，速度调节器及电流调节器将反馈回来的速度、电流与给定值进行比较后进行比例、积分调节，从而使速度、电流稳定在一定的值。在突加负载时，电机有一定自调节能力，电流波动不大。

4.小结

张集煤矿矸石山交-直-交变频调速绞车电控系统经现场安装调试，目前已投入运行，现场运行结果表明系统控制功能完善、速度曲线平滑、行程准确、安全可靠性高，现场维护简单，易于操作，完全满足矿方安全高效稳定运行的需求。

参考文献

[1]韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2000.