丹佛斯變頻器FC301P200在礦井提升機上的應(yīng)用

吳靜,陳國杰,胡潔微

(1.遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院,遼寧 錦州 121001;2.防化指揮工程學(xué)院,北京 102205)

目前我國礦井提升設(shè)備中大量普遍沿用傳統(tǒng)的在繞線型異步電機轉(zhuǎn)子回路中接入金屬電阻,用接觸器切除電阻的方法進(jìn)行調(diào)速,這種調(diào)速方式為有級調(diào)速。在不同速度換擋切換過程中,調(diào)速特性為跳躍式變化,速度不連續(xù),造成調(diào)速性能不好,對整個系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊,如纏繩不穩(wěn)、沖擊減速器等,尤其電機運行在再生制動區(qū)域時所產(chǎn)生的大量能量都迫不得已地消耗在轉(zhuǎn)子電阻上,造成能源極大浪費,因此對礦井提升機的技術(shù)改造要求迫在眉睫。近幾年來,隨著我國自動化技術(shù)水平不斷提高,變頻器在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用,變頻器應(yīng)用于礦井提升也日益增多,成功實現(xiàn)大功率交流電動機的無級平滑調(diào)速,在運行過程中根據(jù)電機的負(fù)載情況使電機始終處于最佳運行狀態(tài),在整個調(diào)速范圍內(nèi)均有很高的效率,節(jié)能效果非常顯著。目前應(yīng)用于礦井提升中的變頻器生產(chǎn)廠家有丹佛斯、西門子、ABB、安川等,本案例選用的是丹佛斯FC301系列變頻器的P200。

1 礦井提升機的傳動特點

礦井提升機機械傳動結(jié)構(gòu)普遍形式如圖1所示?；驹硎菍⒌V井提升機安裝在井口的適當(dāng)位置,井下的人員或采好的礦物通過提升機滾筒上的鋼絲繩連接礦車提升到井上,井上的人員或貨物通過人車用提升機下放到井下。

圖1 礦井提升機機械傳動結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure figure of mechanical transmission of mine hoist

礦井提升機的電機多數(shù)時間工作在電動狀態(tài),只有運送人員或下放設(shè)備等重物時才可能出現(xiàn)發(fā)電狀態(tài),此時可通過直流母線上并聯(lián)一小容量的制動電阻即可以解決能量消耗的問題。從機械傳動設(shè)計、提升機的安全運行等來考慮,需要著重注意以下幾個問題:1)提升機系統(tǒng)制動抱閘合理的打開、關(guān)閉的時序控制,做到確保系統(tǒng)絕對安全可靠,不溜車,不沖擊;2)提升機的多段速運行;3)提升機的啟動、加減速、爬行、停止的平滑運行;4)提升機的電機要能4象限運行,發(fā)電狀態(tài)時產(chǎn)生的能量要迅速耗散掉或回饋電網(wǎng)。

2 變頻器FC301P200的應(yīng)用特點

丹佛斯變頻器FC300系列變頻器有卓越的轉(zhuǎn)矩控制、精確的速度調(diào)節(jié)性能,穩(wěn)定的產(chǎn)品特性和優(yōu)異的品質(zhì)保證。丹佛斯FC300系列變頻器內(nèi)部有如下兩種抱閘邏輯控制:第1種是通過檢測抱閘打開前旋轉(zhuǎn)磁場的速度是否達(dá)到設(shè)定的速度來控制抱閘打開,通過檢測電機停止前的速度來控制抱閘制動閉合的時間,這種方式是通過速度控制來估算電流值,借以控制啟動、停止的轉(zhuǎn)矩。該控制原理簡單,便于理解適用于開緩和一般的閉環(huán)控制場合;第2種適用于電機對啟動轉(zhuǎn)矩要求高,要求點動的頻繁控制。該方式通過直接檢測電機的啟動轉(zhuǎn)矩來控制抱閘打開時間,同時還具有零速負(fù)載保持的功能。只有當(dāng)停止時間超過一規(guī)定值后才閉合抱閘,如果在抱閘前再啟動開機信號,將直接開始新一輪的啟動過程,這樣有利于點動或頻繁啟停下減少閘瓦的磨損,做到迅速的啟停。這種方式只能工作在磁通矢量閉環(huán)的控制模式下,是一種直接高效的控制方式。

丹佛斯變頻器FC300系列對提升機多速段的運行有3個數(shù)字輸入端子可以選擇,可以預(yù)設(shè)最多8種不同的速度,數(shù)組選擇對應(yīng)3個端子電平組成的二進(jìn)制數(shù)。為了達(dá)到平滑的啟停和加減速特性,丹佛斯變頻器FC300系列有2種加減速方式可以選擇:一是線性加減速,運行時間短但對運送的物體平穩(wěn)性、人員乘坐的舒適性都有一定的影響;二是S曲線的加減速控制,能對應(yīng)用中的晃動進(jìn)行補償,將加減速過程中的晃動保持在最低水平,但此種應(yīng)用相對要延長加減速時間,從而使啟動或停止時間延長。本案例中鑒于該提升機運行頻繁,功率大,采用并聯(lián)丹佛斯能量回饋單元Revcon的方案。

3 提升機控制系統(tǒng)組成及調(diào)試過程

提升機控制系統(tǒng)如圖2所示,提升機的控制系統(tǒng)由西門子S7-200系列的CPU224XP做上位控制。變頻器需要閉環(huán)運行選配了丹佛斯的編碼器適配卡MCB102,用于連接來自電機的編碼器速度反饋信號,使變頻器能夠做到精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制。主控操作臺集成了除去速度、位置、壓力、溫度、電流電壓等信號采集傳感器和執(zhí)行終端設(shè)備以外的所有控制回路。

圖2 提升機控制系統(tǒng)圖Fig.2 The control system of mine hoist

提升機司機可操作主控臺上的開關(guān)和按鈕控制提升機的運行,通過主控臺上的指示燈和人機界面及時了解提升機的運行狀態(tài)及運行參數(shù)。本案例選用西門子的TD400C觸摸屏,可顯示提升機的運行速度、井深及一些參數(shù)的設(shè)定。

變頻器和能量回饋單元安裝在相鄰的電控室內(nèi)并集成在電控柜內(nèi)。整個系統(tǒng)選用一臺FC301系列P200變頻器1臺,功率200 kW。提升機電機為185 kW,725 r/min。

4 結(jié)論

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試運行觀察記錄,整個提升機系統(tǒng)運行非常平穩(wěn),達(dá)到了設(shè)計要求。系統(tǒng)運行后,運行故障、停工時間大大減少,節(jié)省能源、人力,提高運輸效率,直接和間接的經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

[1]丹佛斯公司.丹佛斯變頻器VLT AutomationDriver FC300設(shè)計指南[Z].2008.

[2]西門子公司.西門子S7-200系統(tǒng)手冊[Z].2002.

[3]吳堅蘭,陳秀琴,馬嵩源.ACS800變頻器在加載試驗臺控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動,2009,39(1):67-70.