基于矢量控制的提升絞車電控系統(tǒng)高壓變頻改造

王曉艷

摘 要：提升絞車是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，運行特性復雜，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)，一旦提升過程失去控制，或者未能按照給定速度運行，就可能發(fā)生超速、過卷等重大安全事故，造成設(shè)備損壞甚至人員傷亡，給企業(yè)帶來重大損失。該文闡述了鉛硐山礦斜井絞車串電阻調(diào)速方式的固有缺陷和存在問題，介紹了基于矢量控制的高壓變頻器在該礦改造中的應用情況，實踐證明該系統(tǒng)運行穩(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

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0038-01

1 系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問題

陜西鉛硐山礦業(yè)有限公司3#斜井長度650m，井巷傾斜坡度25°，絞車采用10kV/355kW電動機驅(qū)動的串電阻調(diào)速系統(tǒng)，通過交流接觸器切除電阻達到調(diào)速目的。這樣的調(diào)速方式能耗高、調(diào)速性能差、脈動大、不穩(wěn)定、有沖擊、維護費用高。尤其該調(diào)速系統(tǒng)在長期的運行過程中，存在人行車運行時速度主要靠人員操作閘瓦控制，運行忽快忽慢不平穩(wěn)；重負荷提升時電動機啟動電流過大偶爾造成過流跳閘；井口自動摘鉤時，由于制動不穩(wěn)定容易發(fā)生礦車“掉道”或“不脫鉤”等現(xiàn)象，對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

提升機的電氣傳動系統(tǒng)經(jīng)歷了多種控制方式階段。隨著電子技術(shù)和計算機技術(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)應用于礦井提升機。變頻器的調(diào)速控制電路簡單，技術(shù)成熟，可以實現(xiàn)提升機的恒加速和恒減速控制，克服了接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞的缺點，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)已在國內(nèi)外提升機上得到了廣泛應用。

3 變頻改造

為了保證絞車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，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)控保護功能采用雙PLC實現(xiàn)，使變頻保護與電阻調(diào)速系統(tǒng)成雙重保護，確保生產(chǎn)不受影響。

3.1 設(shè)備選型

通過對目前變頻器調(diào)速技術(shù)的實際考察和對比論證，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IVERT-YVF10/048。

3.2 矢量控制概念

矢量控制簡稱VC，基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(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機相媲美，而且可以直接控制異步電動機轉(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)域得到應用。

3.3 電控系統(tǒng)構(gòu)成

考慮到電源電壓10kV，電動機10kV/ 355kW，設(shè)計選用全數(shù)字高壓變頻提升機電控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用能量回饋特性的四象限變頻器，直接驅(qū)動電動機形成電控系統(tǒng)。在基本不改變原來設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加高壓真空開關(guān)柜1臺，高壓工頻變頻轉(zhuǎn)換柜1臺，矢量控制的高壓變頻器調(diào)速器1臺和轉(zhuǎn)子短接開關(guān)柜一臺，并進行相應的閉鎖。其中高壓開關(guān)柜采用真空斷路器對10kV高壓進線和主整流變壓器進行開、斷控制，并對高壓采用微機綜合保護裝置，具有過流、過壓、欠壓、短路等保護。定子與轉(zhuǎn)子切換柜主要作用是在不同的拖動系統(tǒng)切換，使用戶具有兩套完整的互備電控系統(tǒng)，既可使用變頻器拖動，也可以使用原來的轉(zhuǎn)子串電阻和換向柜系統(tǒng)拖動。定子/轉(zhuǎn)子切換柜設(shè)置兩個雙刀雙投的隔離開關(guān)，主要對定子和轉(zhuǎn)子回路進行切換，達到不同的兩套系統(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)可以對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進行控制，穩(wěn)定輸出正弦波電流。同時系統(tǒng)具有動態(tài)響應速度快、加（減）速度特性好等優(yōu)點；（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到額定輸出功率，達到短時制動的要求；（3）低頻高轉(zhuǎn)矩輸出。變頻器具有對轉(zhuǎn)矩電流單獨控制的特點，使電機在低轉(zhuǎn)速下能夠輸出較大轉(zhuǎn)矩，滿足提升機對啟動轉(zhuǎn)矩的要求。此外，在絞車啟動時，盤形閘松開前變頻器能夠提供初始轉(zhuǎn)矩電流，避免礦車在斜井上松閘后溜車；（4）自動識別參數(shù)功能。變頻器可通過“空載啟動”模式進行參數(shù)辨識，檢測空載勵磁電流I0和轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr，這兩個參數(shù)對于變頻器能否以最優(yōu)性能運行至關(guān)重要。變頻器可通過“轉(zhuǎn)子定位”啟動模式自動辨別電機轉(zhuǎn)向，所以安裝時無需考慮編碼器及電機旋轉(zhuǎn)正方向，編碼器可根據(jù)現(xiàn)場情況靈活安裝在電機軸端或尾端。此外，電機轉(zhuǎn)子及定子磁極一般不可見，而絕對值式編碼器不但可以同步檢測轉(zhuǎn)子的速度，而且能通過脈沖數(shù)量準確計算出轉(zhuǎn)子磁極相對于定子磁極的相對位置，從而將同步電機轉(zhuǎn)子提前定位到同步運行狀態(tài)；（5）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。變頻器速度調(diào)節(jié)器會自動調(diào)整電機速度，在電機運行過程中，轉(zhuǎn)速通過脈沖編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制。以達到最快的速度響應、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，強弱電之間完全隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 經(jīng)濟效益分析

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

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

（2）實現(xiàn)提升絞車全過程變頻控制，四象限運行，調(diào)速連續(xù)方便，使得斜坡道人行車運行更加平穩(wěn)、安全。

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

（4）再生制動，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，對電網(wǎng)無污染，對周邊設(shè)備無干擾，維護量小。

（6）起動及加減速時沖擊電流很小，減輕了對電網(wǎng)的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動強度。

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)絕大多礦井提升機電控系統(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，則可使提升機具有類似直流電動機的優(yōu)良機械特性，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，此項技術(shù)不僅提升過程性能優(yōu)良，而且使用維護簡單，設(shè)備可靠性高，整機效率比以前大大提高，是礦山提升機傳動的發(fā)展方向，推廣應用前景廣大。

參考文獻

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