变频系统在提升绞车中的运用
李岗
工作单位：山西兰花集团东峰煤矿有限公司
摘要：本文详细介绍了矿井6KV高压变频系统在提升绞车中运用。文中对高压变频器的原理、功率单元的结构、矿井提升高压绕线电机串联电阻起动电控系统改造为变频控制的方法、可编程控制器(PLC)在矿井提升绞车电控中的运用、矿井副井提升绞车的节能方法做了详细的说明和分析。
关键词：高压变频器、功率单元、可编程控制器、提升绞车电控、节能
问题的提出：
矿井主提升绞车作为矿井的关键设备，功率较大，其耗电占到矿井总用电量很大比例。我公司副井提升绞车采用山西机器制造厂生产的JK —2.5/20X型，采用天津电器设备控制厂生产的TKDP-G-1286电控系统。为高压6KV交流电动机在绕线式异步电动机的转子回路内接入八段金属电阻，用磁力站逐步切除电阻的方法进行调速，减速和下放重物时，采用直流动力制动的方式进行拖动。对其进行节能改造有很大的必要性，体现在以下两个方面。
1、根据国家2011年1月发布的《关于禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（第三批）》要求（发布之日起2年后禁止使用）使用继电器结构原理的提升机电控装置，TKDP-G-1286就属于此类电控系统。提升机采用PLC电控系统已是发展所需。
2、提升机的节能需要
提升绞车绕线电机在工频运行时，转子带电阻或者不带电阻，改变的只是电机输出功率，电机输入功率可以认为是一定的，只与定子电压
电流有关，与转子电阻无关。电机的输出功率与电机转速成正比，直到电机全速运转，转子电阻全部切除，二者相等（理想情况）。电机运行过程中，转子电阻没有完全切除时，电机输入功率大于输出功率的部分，被转子电阻消耗。其能量消耗，表现在以下几个方面：
①、加速段：启动过程中电机的输出功率，是与速度成正比逐步增加的，直到转子短封工频下等速运行。使用电阻启动的交流提升机，启动电流往往大于等速段电流，工频电源的输出功率一部分用于提升机的启动，一部分消耗在启动电阻上，并且提升机速度越低，电阻消耗的能量越大。在整个加速过程中，可以认为电机做功和电阻发热消耗的能量基本相等。
②、等速段：第一种情况工频带电阻低速运转：有些提升场合（提放质量超过5吨的物品），需要提升绞车低于额定等速速度，电机带转子电阻，定子工频送电运行。此时是正力提升，转子电阻发热消耗能量的情况与启动段类似。第二种情况动力制动负力运行：司机操作动力制动投入电制动运行，运行速度可以是全速也可以是半速。电机定子送低压直流电源，转子根据速度的不同切换电阻，此时的能耗仅仅是低压制动电源消耗功率，用于建立电机恒定磁场。电机发电产生制动能量，在转子电阻上发热消耗。
③、减速段、爬行段：减速段和爬行段有正力减速和负力制动减速的区别，总的情况和加速段以及等速段半速运行的情况相同。可以用速度/功率正比的规律简单估算电阻发热消耗的能量。
因此，提升绞车进行变频电控系统改造，具有很大的节能空间。
变频改造方案:
我矿采用保留原有高压绕线电机，短接转子绕组，直接选择高压变频器对定子绕组变频控制的方式进行改造，同时现场保留原电阻启动设备，作为变频系统的备用。
变频电控系统主要由高压馈电柜、高压变频柜、主控台、辅助控制柜及系统切换柜组成。原高压馈电柜、高压换相柜、原动力制动柜、原转子电阻及加速柜、换向智能站、调速智能站是用于新变频系统控制原继电器控制系统时使用。（如下图1所示）
图1 提升绞车变频/工频控制系统图
1、高压变频部分
6KV高压电经高压馈电开关送入移相变压器，移相变压器通过抽头的方式，进行分压转换成一定规律的低电压，再用低压功率单元串联的方式，输出到定子绕组上高电压。
一般变压器有18组付边绕组，分为6个功率单元∕相，三相共18个单元，采用36脉冲整流，每相由六个低压逆变器功率单元串联的方式实现直接高压输出（高压变频器系统结构如下图2所示）
图2高压变频器系统结构图
高压变频调速器采用最新型 IGBT 为主控器件，全数字化，彩色液晶触摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标的优质变频调速器，采用先进的矢量控制变频调速技术完成提升机的四象限运行，控制器核心由高速 DSP 和工控 PC 机协同运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。。控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，同时可以实现远程监控和网络化控制，增强系统的灵活性。
高压变频器的每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其主电路结构如图 3 示，
图3 功率单元电路结构
为基本的交-直-交双向逆变电路，通过整流桥进行三相全桥方式整流，整流后的给滤波电容充电，确定母线电压，通过对逆变块 B 中的IGBT 逆变桥进行正弦 PWM 控制实现单相逆变。当电机进入发电状态后，逆变块 B 中的二极管完成续流外，又起全波整流，使能量能够转移到滤波电容中，结果母线电压升高，达到一定程度后，启动逆变块 A ，进行SPWM 逆变，通过输入电感，返回到移相变压器的次极，通过变压器将能量回馈到电网。
2、控制部分
主控台是该电控系统的控制中心，其核心为采用两台技术先进、性能可靠的FX2N型可编程控制器进行控制，提升绞车控制需要的紧急停车、弹簧疲劳、闸瓦磨损、松绳开关、过卷开关、润滑泵启停开关、液压泵启停开关等开关类数字信号直接送入PLC的I/O输入端口；提升绞车需要的润滑油温度、绞车电流、液压站压力等模拟量信号，经过标准
变送器转换后，通过A/D转换模块送入PLC；主控台需输出的开关量信号，如安全继电器、各种指示灯等，由PLC的I/O输出端口输出，经中间继电器转换后，控制动作继电器；主控台需输出的模拟量信号，如可调闸控制信号，由D/A转换模块直接控制。主控台与高压变频器之间的联系通过PLC的RS485通讯进行。
提升绞车控制系统选用可编程控制器控制的特点：
①、控制核心数字化，通过软件计算实现提升绞车的工艺过程控制功能。绞车运行的关键在运行速度图，速度图包括要求速度图（给定）和实际运行速度图，绞车要求的速度图可根据绞车实际运行轨迹分段进行设定，然后输入主控机的PLC和高压变频器的PLC。关键是如何取得绞车实际的运行速度，传统的方法是采用测速发电机，将转速信号转变成电压信号，这种方法对于PLC来说，不仅要增加A/D转换模块，还需进行中间转换，达不到要求的精度，因此采用在提升绞车电机及滚筒轴上安装旋转编码器的方法，读取提升绞车的实际运行速度，设备运转一周编码器可以产生上千个脉冲信号，完全可以满足控制精度要求。再在提升绞车运行的起点和终点加入PLC能识别的到位信号，就可以通过计算编码器累计发出的脉冲数量，确定提升绞车的实际运行位置；通过计算编码器发出脉冲的速率，确定提升绞车的实际运行速度。PLC内部经过程序计算实际速度和给定速度的差值，输入高压变频器进行速度跟踪，实现变频调速的目的。
②、提升控制安全回路实现双线制（控制系统实现后备保护功能），主控台内安装了两台PLC，同时在提升绞车的高速轴上和低速轴上安装轴编码器，分别送入主控和后备PLC，每台PLC计算自己轴编码器所代表的提升绞车的位置和速度数据，同时控制保护回路的动作。将工作闸零位、过卷信号、切除过卷信号、变频器故障等信号同时送入主控PLC
和后备PLC,使它们分别控制一个安全继电器，提升绞车运行时要求两个安全继电器同时吸合。
③、系统调试方便，由于采用程序实现逻辑控制，编程方便，可以预先进行通用、系统性编程，现场安装时，只需根据现场情况将对变量输入一定值数据即可。
④、保护功能全面，系统人性化的将操作提示和故障,用语言的方式告知操作人员和维护人员；语言报警有减速点到、提升过卷、等速段过速、减速段过速、2m/s超速、钢丝绳松、闸瓦磨损、深指失效、润滑泵未开、操作错向、轴编码器失效、紧急停车、打点错误、通讯错误等二十段。
⑤、全面显示绞车运行参数，采用工业显示屏显示绞车的各种静、动态参数，主要显示画面有：预备态：容器位置、本次打点次数、上次打点次数、提升钩数、润滑油压、提升时间、到位信号、模拟深度指示器以及主要故障指示等。运行态：速度图、力图、容器位置、提升速度、电机电流、制动油压、本次打点次数、转子加速级数、加速电流继电器等。故障态：显示有故障点，红色为故障，绿色为正常，只要调出此屏即知道故障之所在，极大的缩短了查找故障的时间。故障记忆：当安全回路动作时，能记录在发生故障的那一时刻绞车的运行参数，非常方便我们分析故障原因，可记忆多屏参数。
换向智能站用于采用原电阻起动系统时，控制原高压换向接触器。采用RS485通讯方式实现与主控台的通讯，完成主控台对原高压换向接触器的控制。柜内设有PLC，实现网络智能化的控制，使控制接线减少80%。柜内设有程序试验开关，可方便检测高压换向接触器动作情况，有
效地节约了查找故障的时间。
调速智能站用于采用原电阻起动系统时，控制原加速控制接触器。采用RS485通讯方式实现与主控台的通讯，用于控制原加速柜接触器的吸合与断开，达到对电机转子回路电阻的自动切换，实现电机启动、调速、制动的目的。柜内设有PLC智能站，实现网络智能化的控制，使控制接线减少80%。柜内设有程序试验开关，可方便检测各段速接触器动作动作情况。
辅助控制柜又称低压电源柜用于提升机辅助设备的AC380/220V配电。双回路进线，各进、出回路配置有工作指示，并为提升机辅助设备及起重机、电焊机及室内照明等机房辅助设施供电。
系统切换柜主要完成原电阻起动系统与高压变频电控系统在定子和转子上的切换。
系统节能分析:
为达到绞车运行的节能及控制要求，我公司采用焦作华飞电子电器股份有限公司生产的JTDK-ZN-GBP型交流变频电控系统，于2010年2月8日对副井提升绞车的电控系统进行了改造（实际停产改造时间为72小时），经过1年多的运行，整套系统运行安全可靠，未因为系统故障进行过原电阻起动系统的切换。
经统计：改造前2009年4月29日至2009年12月30日，矿井副井提升绞车的总用电量为89154度，改造后2010年4月28日至2010年12月30日，矿井副井提升绞车的总用电量为58014度，同比节约31140
度，节电率达35%。考虑到我公司2009年的产量为60万吨，2010年的产量为90万吨，节电率还要大于此数。
结论与展望：
国内高压6KV变频系统采用移相变压器，通过低压功率单元串联的方式技术已趋成熟。对于煤矿系统的6KV高压副井提升绞车，具有很大的节能空间，同时变频电控的调速平稳，PLC控制系统灵活、可靠，是矿井提升绞车电控的发展方向。
参考文献
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[2]顾永辉.《煤矿电工手册》第三分册：煤炭工业出版社，1999.2
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[4]董研.《变频器的使用与维护》化学工业出版社，2009.5
[5] 仲明振.《高压变频器应用手册》机械出版社，2009.5
[6]岳庆来.《变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术》机械工业出版社，2008.6
作者：李岗性别：男出生年月：1974年4月
参加工作时间：1997年12月
现任：兰花集团东峰煤矿机电科副科长
通信地址：jc-jcby@https://www.doczj.com/doc/0715051902.html,
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