變頻控制在礦井絞車改造中的應用

　　絞車是礦山企業(yè)的大型設備之一，它擔負著物料運送、人員上下等任務，是礦井的“咽喉要道”，在實際生產(chǎn)中占據(jù)著非常關鍵的作用。

　　目前，我國多數(shù)礦井絞車采用的電控系統(tǒng)為：異步電機+轉(zhuǎn)子串電阻加速+動力制動減速+高壓接觸器換向。該電控方式在一定程度上滿足提升系統(tǒng)的運行要求，但也存在著不容忽視的問題，即電機轉(zhuǎn)差功率全部消耗于轉(zhuǎn)子串接的電阻回路中，而絞車在重載加速、加速的工況下運行時間較長，此時轉(zhuǎn)差功率相當大，這就造成了能源的巨大浪費；系統(tǒng)為串電阻有級調(diào)速，切換時沖擊電流大，設備運行平穩(wěn)性差，安全性能較低；系統(tǒng)發(fā)熱嚴重，造成工作環(huán)境惡劣。

　　隨著變頻技術及PLC技術的迅速發(fā)展，該系統(tǒng)已列入國家強制淘汰設備目錄之內(nèi)，對其進行升級改造勢在必行。本文主要對成莊礦副井絞車控制系統(tǒng)進行改造，采用全數(shù)字式轉(zhuǎn)子雙饋交流絞車變頻電控系統(tǒng)。

　　1 現(xiàn)狀

　　采用2JK-2.5/20型雙筒單繩纏繞式絞車，電動機為JR157-10交流繞線式異步電動機，額定功率260kW，定子電壓6kV，定子電流33A，轉(zhuǎn)子電壓505V，轉(zhuǎn)子電流329A。副井斜長572米，傾角18度，大提升速度4米/秒。由于設備老化、控制技術落后，現(xiàn)將老式系統(tǒng)改造為全數(shù)字變頻電控系統(tǒng)。該電控系統(tǒng)將先進的數(shù)字化、自動化等技術進行融合，采用“交流電機+交直交主回路+全數(shù)字化控制模式+雙PLC控制+故障診斷與監(jiān)控”的模式。

　　2 雙饋轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構

　　該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子變頻矢量控制器是全數(shù)字式控制器，可以實現(xiàn)速度閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)子變頻矢量控制、單位功率因數(shù)的控制、電流閉環(huán)控制、故障診斷等功能。

　　在系統(tǒng)主回路設計上，采用“背靠背”式的二級管鉗位雙三電平結(jié)構，電網(wǎng)電壓定向，直接電流控制。其中，將三電平的有源前端作為整流變壓器，逆變器側(cè)直接接至電機的轉(zhuǎn)子回路，在轉(zhuǎn)子變頻矢量調(diào)速裝置的控制下驅(qū)動絞車。二極管鉗位三電平結(jié)構的功率器件電壓等級僅為日常兩電平結(jié)構的一半，從而降低了電機絕緣和功率器件承受的電壓，終減小了系統(tǒng)的開關損耗。同時背靠背拓撲結(jié)構利于系統(tǒng)維護，系統(tǒng)可靠性能得到增強。在控制方式上，把功率變換裝置和電機作為一個整體，進一步實現(xiàn)高性能調(diào)速的前提下對網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、網(wǎng)側(cè)諧波、電機定子側(cè)、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)等關鍵指標進行調(diào)控，滿足系統(tǒng)運行在較低的開關頻率、較小的進線電抗下實現(xiàn)能量雙向流動，使變頻器對電網(wǎng)無污染。

　　該電控系統(tǒng)在交流電機的轉(zhuǎn)子側(cè)引入全控功率變換單元，而全控雙饋系統(tǒng)功率變換單元是由全控器件組成的三電平變換器所構成的，系統(tǒng)通過控制轉(zhuǎn)差功率來進行調(diào)速，其中CU1作為系統(tǒng)的全控逆變單元，用來提供與轉(zhuǎn)子電勢同頻率的變頻電源，CU2作為全控整流單元，用來提供對網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)和諧波進行調(diào)節(jié)和補償，同時為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓。當變換器CU1處于全控整流狀態(tài)，CU2處于逆變狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子饋出能量；當兩個變換器工作狀態(tài)與上述相反時，轉(zhuǎn)子饋入能量。

　　3 雙PLC控制系統(tǒng)

　　為了滿足礦井絞車高可靠性和高安全性的要求，我們通過建立雙PLC冗余控制系統(tǒng)的配置來完成絞車邏輯操作、行程控制、液壓制動控制、故障保護等。兩套PLC全部通過PROFIBUS和MPI總線進行數(shù)據(jù)傳輸，進一步保證重要數(shù)據(jù)的實時性和同一性，為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)和保證。

　　3.1 提升行程控制PLC

　　該部分由三個軸編碼器（滾筒側(cè)、減速器側(cè)、電機側(cè)）、井筒開關（深度指示器上）和行程監(jiān)控PLC構成。

　　三臺軸編碼器將絞車行程位置和在線速度轉(zhuǎn)換成脈沖信號送至系統(tǒng)PLC中，系統(tǒng)PLC將編碼器信號和系統(tǒng)設定的一些行程參數(shù)結(jié)合起來進行邏輯處理，自動產(chǎn)生絞車所需的運行曲線，絞車按照曲線進行運行。為了盡量減少起動和制動過程中產(chǎn)生的機械沖擊，絞車運行速度給定信號的加、減速段為標準的“S”型曲線。同時，PLC通過實際運算來調(diào)節(jié)減速度保持為一個固定值，進一步保證停車點的精度。

　　3.2 安全保護回路PLC

　　系統(tǒng)設置有PLC與繼電器構成的雙線制安全保護回路。系統(tǒng)將絞車的保護信號主要分為四類：井口施閘、立即施閘、電氣制動和報警。其中直接接入到PLC中的事故信號為井口施閘、電氣制動和報警，PLC將此類事故信號通過處理后發(fā)送至監(jiān)視器顯示故障類型并控制聲光報警系統(tǒng)報警或施閘。立即施閘類事故信號除了引至PLC中顯示、處理外，還引入到安全直動回路，動作抱閘系統(tǒng)進行施閘。

　　4 應用效果

　　通過改造，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)將使不經(jīng)濟的工況轉(zhuǎn)變?yōu)榧训墓r運行，系統(tǒng)控制精確、運算簡潔，節(jié)能效果明顯，可靠性得到很大提高。

　?。?）變頻調(diào)速系統(tǒng)設備運行更加平穩(wěn)，實現(xiàn)速度連續(xù)可調(diào)，電機溫升較舊系統(tǒng)有明顯降低，同時對系統(tǒng)機械沖擊也明顯減小。

　　（2）系統(tǒng)有明顯的節(jié)能效果。投運以來，平均用電量比副井絞車房過去一年月平均用電量減少4830度，全年節(jié)電達57960度。

　　（3）系統(tǒng)運轉(zhuǎn)安全可靠，保護齊全，故障率低，且故障判斷及時準確。

　?。?）絞車能自動地按照系統(tǒng)計算的提升速度圖來進行提升，降低了絞車的操縱難度。司機無需用施閘手段控制減速，進一步避免超速、過卷的發(fā)生。

　　5 結(jié)語

　　由實際應用效果得出，在煤礦提升系統(tǒng)中實現(xiàn)變頻調(diào)速控制，不僅極大地提高了煤礦生產(chǎn)自動化程度，使絞車系統(tǒng)保護完善、運行安全可靠、維護簡單，而且節(jié)能效果明顯。隨著煤礦現(xiàn)代化的發(fā)展，煤礦的增產(chǎn)、降耗、提效被提到了未有的高度，設備的節(jié)能改造將大范圍地展開。因此，“雙線控制”式絞車變頻電控系統(tǒng)的改造勢必將得到廣泛的應用。

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