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智能变频调速装置在煤矿中的应用
沈占彬
张晓军
(平顶山工业职业技术学院，河南
平顶山
467001)
矿用交流提升机在减速和爬行段的速度控制困难，不能实现恒减速控制，转子串电阻调速能耗十分大，控制电路复杂，经常产生故障和损坏等问题。在斜井提升机系统中应用变频器，节能效果显著，应用前景广阔。目前矿用提升机普遍使用交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒减速控制，经常会造成过放和过卷事故。提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，转子串电阻调速控制电路复杂，这种转子串电阻调速属于有级调速，低速转矩小，转差功率大，启动电流和换档电流冲击大，中高速运行振动大，制动不安全不可靠，对再生能量处理不力，斜井提升机运行中调速不连续，容易掉道，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，故障率高，影响生产效益。特别是在煤矿生产中不能实现防爆要求。针对串电阻调速系统的这些问题，本文介绍变频器在提升机调速系统中的应用。变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，能很好的防止提升机过卷和过放事故发生。变频器的调速还可以实现电动机的软启动，去除了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果。变频器调速控制电路简单，克服了接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故发生。交频器灵活的调速控制便于实现提升机的多段速控制，能防止叉道和弯道脱轨事故。因此，变频器在提升机调速系统中的应用有十分广阔的前景。
鉴于变频调速提升绞车的优越性，我矿采用唐山开诚电器有限责任公司生产的ZJT-30型隔爆兼本安智能变频调速装置。该变频调速装置主要整流及逆变元件和PLC及辅助元件均采用进口产品，具有可靠性高、使用寿命长等特点。它能有效地保护电机，延长电机的使用寿命。由于变频调速装置采用了隔爆兼本质安全型设计，符合《煤矿安全规程》的要求，可应用于煤矿井下含有煤尘、瓦斯爆炸危险的环境中，作为局部风机、水泵、空压机、提升绞车、皮带运输机及其它设备电机的变频调速和起停及保护控制，从而实现节能降耗、安全生产、延长电机使用寿命等多重目的。
系统的优点
本系统设有一条硬件安全电路和两条软件安全电路，这三条安全电路相互冗余与闭锁，一条断开时，另二条也同时断开。安全电路断开后，系统会立即解除运行控制指令，封锁变频器，分制动油泵，断开安全阀和KT线圈,进行紧急制动。
(1)实现了软启动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠。
(2)起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作、降低了工人的劳动强度。
(3)运行速度曲线成S形，使加减速平滑、无撞击感。
(4)安全保护功能齐全，除一般的过压、欠压、过载、短路、温升等保护外，还设有过卷、等速超速、定点超速、PLC编码器断线、错向、传动系统故障、自动限速等保护功能。
(5)设有回馈制动、抱闸制动制动方式，更加安全可靠。
(6)该系统四象限运行，可实现绞车的调速、换向、能量回馈制动等功能，且不受回馈能量大小的限制，适应范围广，节能效果更加明显。
(7)采用双PLC控制回路，能够实现双回路保护，一回路出现故障，另一回还可以继续运行。提升机变频调速的系统结构
图1：绞车电控系统图
图1所示，提升机ZJT-30-MSC隔爆兼本安智能变频调速其主要配置为变频调速系统、PLC控制系统及轴编码器监测系统组成，其中变频调速系统（图2所示）又分为输入电抗器、可控整流系统、电容平波系统、输出逆变系统。变频器主要对提升机的升降实现变频调速等，可控整流系统是一种可回馈电能的逆变器，它可单独作为高质量的无功补偿器使用，也可与其他系统相结合组成新的系统，以实现能量在交流侧和直流侧的双向传输，同时，系统可将交流侧的功率因数调整到任何希望的数值，且交流侧的电流为近乎完美的正弦波。电容平波系统主要对电网脉动整流滤波使其达到输出的波形平稳。PLC控制系统主要对提升机的变速、停车和精确制动、提升启动、下降启动、故障复位及紧急制动等操作控制。抱闸制动主要实现提升机停车控制。轴编码器监测系统是把运行的速度及方向和位置信号进行转换传输到PLC控制系统中。3-AC660V1L11L21L3电抗器箱变频器箱+HA-Q01BUS++L1L2L3185KW,660V+UVWPE+M~BUS-图2 变频调速系统提升机变频调速系统按工作方式又分为变频器、行程控制、操作控制和抱闸控制。1.变频器
在提升机系统中的应用中，变频器主要进行恒加速变频调速启动、恒减速变频调速停车及行程变频调速运行等变频调速。变频调速是通过改变电机输入电源的频率来调节电机转速的，因此调速范围很宽，一般变频器基本上都可以达到0～400Hz，频率调节精度一般为0.01Hz，可以很好地满足提升机的恒加速和恒减速无级调速的要求。采用变频器后，电机可以实现真正意义上的软启动和平滑调速。变频器调速有别于转子串电阻调速，降低了转差率，提高了电路的功率因数，可以恒转矩输出，输出功率随转速变化，因此具有很好的节电效果。另一方面，变频器还可通过软件，很方便地改变输出转矩（即调整转矩补偿曲线）和加减速时间、目标频率、上下限频率等。变频器还具有强大的兼容功能，并根据使用要求进行功能组合，参数设置（修改）和动态调通。变频器也可通过端子排控制，对行程进行多段速度控制。图3为变频器恒加速和恒减速调速过程示意图，加速和减速过程可以灵活的调节，这种调速方式对防止提升机的过卷、过放、脱轨等都是十分有利的。
2.行程控制（PLC控制）
图3是提升机提升和下降过程示意图，行程控制分为2个过程，一个为正向提升行程，另—个为反向下降行程。行程控制主要将提升机的升降过程划分成不同的行程区间，根据每一行程区间的实际情况，可以用不同的变频调速控制提升机的升降速度。行程控制不仅控制提升机整个升降行程过程的变频调速，而且控制提升机的停车和制动过程。行程控制可以很好的防止提升机过卷、过放、脱轨和翻车等事故发生，特别适合具有弯道和叉道的特殊斜井。
行程控制是根据提升机的升降位置（行程区间）实施控制，PLC将行程位置转换成开关信号 3（如图1所示），发出指令控制信号传输到变频器进行多段速变频控制，停车控制和制动控制等。
3.制动控制
提升机的安全使用必须要有良好的制动和制动控制系统。制动一般采取回馈制动和抱闸制动相结合，回馈制动主要利用提升机的惯性在减速和下降行程所产生的再生能量进行制动。变频器使用回馈单元实现回馈制动，这是一种软制动形式，能很好的防止机械冲击和快速下滑。为了防止滑车等事故，使用抱闸对提升机实施抱死制动，抱闸制动—般在停车时使用，当运行到停车位置时，PLC对变频器发出停车信号。同时，对抱闸制动器发出抱闸控制信号，实施抱闸制动。当发生脱轨等事故时，操作控制实行紧急抱闸制动。
4.操作控制
操作控制主要执行提升启动、下降启动各紧急抱闸制动等控制。“提升启动”操作控制变频器正转运行，提升过程由行程控制器的提升行程控制完成。“下降启动”操作控制变频器反转，下降过程由行程控制器的下降行程控制完成。“紧急制动”操作主要控制异常时的变频器停止和抱闸制动。
工作原理
ZJT-30-MSC隔爆兼本安智能变频调速系统的工作原理是：操作台发出操作指令信号，传输到PLC-A1和PLC-A2，PLC-A1和PLC-A2根据轴编码系统、保护系统传回的信号进行内部比较，然后根据程序控制变频器执行起动、停车、制动、保护等功能。在PLC-A1故障或与其有关的编码器故障时，将“应急方式”转换开关打在“应急1”位置,利用PLC-A2可实现应急手动开车；同样在PLC-A2故障或与其有关的编码器故障时，将“应急方式”转换开关打在“应急2”位置,这时在PLC-A1内可把与PLC-A2相关的信号旁路掉，利用PLC-A1可手动开车。
变频器是通过改变电机定子供电频率来改变电机的转速，以实现绞车的调速。交流异步电动机的转速公式为
n=60f1(1－S)／p 其中n—电机转速 f1—定子供电频率
p—极对数 s—转差率
其中变频调速系统的工作原理如图2所示，系统内部采用矢量控制思想，“交—直—交”变频理论最终产生PWM电压。AC660V电源由隔爆接线腔 R、S、T 三个接线柱接入隔爆主腔内，经整流平波电路输入 IGBT 逆变桥，由逆变电路输出 U、V、W 来驱动电机的运行，对电机频率的调整控制，可根据现场的工况需要，由外部速度钮，以无级调速的方式设定好实际需要的参数值（即频率／速度值），以达到精确地适应所需频率 ／速度 ／功率的输出的要求。当工作现场的工况要求发生变化时，可随时用本质安全型参数程序控制器（键盘或 CCS 操作台）来修改参数，应用方便、灵活、可靠。
现场应用情况及运行效果
从2004年10月份到目前，平煤集团四矿使用该ZJT-30-MSC型智能变频调速装置以来，经过测算和试用相比较，节电率达到30%以上。同时变频绞车改造后绞车运行的稳定性和安全性大大增加。因此大大减少了运行故障和维修时间，节约了大量人力和物力，在很大程度上提高了四矿的运输能力。
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