礦井提升機(jī)變頻器電控系統(tǒng)中的電抗器與制動電阻分析 摘 要：提出了通過變頻器來控制礦山豎井提升機(jī)的一種方案，詳細(xì)介紹了提升設(shè)備的基本構(gòu)造及變頻器控制的礦山豎井提升機(jī)系統(tǒng)，并對豎井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)的功能做了探討。通過井道開關(guān)的設(shè)置使系統(tǒng)在運行上更安全、可靠，進(jìn)一步提高了礦山豎井的工作效率。
關(guān)鍵詞：變頻器；電抗器；制動電阻；提升機(jī)；變頻系統(tǒng)
目前我國礦井提升機(jī)交流電控設(shè)備仍大量沿用傳統(tǒng)的在繞線型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中接入金屬制動電阻，用控制器或磁力站切除制動電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，這種調(diào)速方式為有級調(diào)速。在不同速度切換的過程中，調(diào)速特性為跳躍式變化，不僅調(diào)速性能不好，并且對系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的沖擊，對機(jī)械設(shè)備特別是減速器十分不利。另外，當(dāng)運行在再生制動區(qū)域時，電機(jī)所產(chǎn)生的大量能量只能消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，對能源而言是極大的浪費。近年來，隨著我國自動化技術(shù)的提高，變頻器在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，變頻器用于礦井提升機(jī)負(fù)載也日益增多，本文探討了變頻器應(yīng)用于礦山豎井提升機(jī)改造的案例。
１配有變頻器的提升機(jī)電控系統(tǒng)優(yōu)點
礦井提升機(jī)是煤礦、鐵礦、有色金屬礦、碼頭等生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。提升機(jī)的安全、可靠運行直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)效益。目前，大多數(shù)中、小型礦井采用斜井絞車提升及豎井提升機(jī)，普遍采用交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)，制動電阻的投切用繼電器—交流接觸器控制。這種控制由于接觸器動作頻繁，交流接觸器主觸頭易老化，從而引發(fā)設(shè)備故障。另外，提升機(jī)在減速和爬行段的速度控制性能較差，經(jīng)常會造成停車位置不準(zhǔn)確。提升機(jī)頻繁地起動、調(diào)速和制動，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻上產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗。由于是有極調(diào)速，起動和調(diào)速換檔時電流沖擊大，能耗高、振動大、安全性差，同時給機(jī)械部分造成的磨損大，設(shè)備維護(hù)量也大。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，采用變頻器系統(tǒng)來實現(xiàn)全頻率（０～５０Ｈｚ）范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到提升絞車上，其顯著的優(yōu)點如下。
�。ǎ保┌踩�。專用于起重提升控制的變頻器解決了起動力矩與開閘的順序控制，只要電機(jī)起動力矩不足，制動閘瓦就無法打開，這樣就從根本上保證了系統(tǒng)的安全。
（２）節(jié)能。繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，制動電阻消耗大量的轉(zhuǎn)差功率，速度越低消耗的轉(zhuǎn)差功率越大。變頻調(diào)速是一種不耗能的高效的調(diào)速方式：提升機(jī)大部分時間都處在電動狀態(tài)，節(jié)能顯著，經(jīng)測算節(jié)能２５％以上，運行時間越長節(jié)電越多，能有效降低運行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。
（３）維護(hù)少。變頻器的無極變速使得整個絞車運行平穩(wěn)，顯著減少機(jī)械沖擊與磨損，齒輪、制動盤、閘瓦、鋼絲繩、減速箱、連軸器等使用壽命顯著延長，減少了維護(hù)人員的工作量，降低了維護(hù)成本，節(jié)省了人力物力，提高了運煤能力，間接的經(jīng)濟(jì)效益可觀。
�。ǎ矗┮撞僮�。提升機(jī)操作人員在開提升機(jī)時操作簡便，發(fā)生誤動作的概率小。而常規(guī)系統(tǒng)的開車過程中，要嚴(yán)格配合制動手柄和換檔手柄的操作，提升、下放的操作順序不一樣，容易造成飛車或急起、急停的狀況，跳軌、掉道、彈繩等事件偶有發(fā)生，有可能釀成大的事故，給安全生產(chǎn)帶來很大的挑戰(zhàn)。特別是在負(fù)荷不同的情況下，起步停車減速段要次次達(dá)到慢起、慢停、準(zhǔn)確停車很不容易！而使用變頻器后，相應(yīng)的操作變得很簡單。因此，使用變頻器能降低提升機(jī)操作人員的操作難度，也降低了事故的發(fā)生機(jī)率。從安全的角度也是非常有利的。
（5）低干擾，低噪音，低沖擊，對電網(wǎng)其他設(shè)備影響小。
（６）自動變速�？梢栽O(shè)置多段速度，保證了在多段變坡點的平穩(wěn)運行。
總之，使用變頻器系統(tǒng)在提升機(jī)提升下放過程中，在安全、節(jié)能、維護(hù)、使用等方面都將得到極大的提高。
�。沧冾l器的選型
本系統(tǒng)所采用的三相異步電動機(jī)的額定功率為１１０ｋＷ，額定轉(zhuǎn)速為９６０ｒ／ｍｉｎ，額定電流為２５９Ａ，工頻５０Ｈｚ，根據(jù)功率原則以及與ＰＬＣ型號的匹配，采用西門子矢量型ＭｉｃｒｏＭａｓｔｅｒ４４０變頻器， 其型號為６ＳＥ６４４０－２ＵＤ４２－０ＧＢ１。電動機(jī)在運行過程中，過載時的最大輸出電流可以按下式計算：
�。桑恚剑耄桑�，式中，Ｉｍ為過載時的最大輸出電流；Ｉｅ為電動機(jī)的額定電流；ｋ為過載系數(shù)。根據(jù)本系統(tǒng)的要求，過載系數(shù)取１４，則電機(jī)過載時的最大輸出電流Ｉｍ＝３６２６Ａ。對于６ＳＥ６４４０－２ＵＤ４２－０ＧＢ１的變頻器，其輸出功率為２００ｋＷ，額定輸出電流為３２０Ａ，５７ｓ過載電流（最大輸出電流）為額定輸出的１５倍，但在實際中根據(jù)變頻器要滿足的條件，可取過載系數(shù)為１３６％，可得Ｉｍ＝３２０×１３６＝４３５２Ａ＞３６２６Ａ，因此滿足負(fù)載的過載要求。
在對變頻器ＭｉｃｒｏＭａｓｔｅｒ４４０進(jìn)行通信控制時，需要對變頻器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要對表１所示的幾個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整（見表１）。
�。保┫到y(tǒng)由５臺設(shè)備及外圍自動化元件構(gòu)成（見圖１），其中控制柜４臺、司機(jī)操作臺１臺。Ｐ１為司機(jī)操作臺，負(fù)責(zé)司機(jī)操作及觀察；Ｐ２為ＰＬＣ控制柜，負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制、保護(hù)等工作；Ｐ３為變頻器柜，安裝變頻器；Ｐ４為電源及制動單元柜，安裝接觸器、空開、制動單元、電抗器等；Ｐ５安裝制動電阻；外圍自動化元件：外圍的傳感器、變送器、接近開關(guān)、限位開關(guān)等。
２）司機(jī)操作臺（Ｐ１）的主要功能
司機(jī)操作臺上裝有與運行相關(guān)的重要參數(shù)的儀表，為在系統(tǒng)發(fā)生故障或其它需要時進(jìn)行必要的控制提供運行參數(shù)。司機(jī)操作臺配有彩色液晶觸摸屏，具有友好的人機(jī)界面，采用多級多層可切換式操作菜單，顯示直觀，操作簡便。通過觸摸屏可實時顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、工作參數(shù)，如運行電壓、工作電流、提升機(jī)負(fù)荷、油溫、油壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、纜車運行速度、纜車運行位置、當(dāng)期行程等；可記錄系統(tǒng)在各運行階段內(nèi)的各參數(shù)變化值，并具有系統(tǒng)工作參數(shù)的運行趨勢分析功能；可自動判斷并顯示故障，包括故障裝置、故障類型、故障原因、故障元件等，對故障進(jìn)行聲光報警，并可由專家系統(tǒng)給出故障處理建議，查詢故障歷史檔案（至少可保存最近發(fā)生的４０個故障記錄）；可修改ＰＬＣ內(nèi)部參數(shù)設(shè)置（需有相應(yīng)權(quán)限）；具有密碼保護(hù)功能，可根據(jù)權(quán)限設(shè)置、修改操作員密碼，不同安全等級的操作員具有不同的操作權(quán)限。配有手動操作的主令控制器，可手動調(diào)整制動力及行車速度，并配有腳踏緊急制動開關(guān)，當(dāng)發(fā)生緊急情況時快速制動，防止事故發(fā)生和擴(kuò)大。
３）ＰＬＣ控制柜（Ｐ２）的主要功能
控制柜實現(xiàn)對提升機(jī)的控制、監(jiān)測、保護(hù)等功能，系統(tǒng)除緊急保護(hù)功能外的所有控制和聯(lián)鎖功能均由該柜的可編程邏輯控制器（ＰＬＣ）完成。ＰＬＣ采用能適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的ＦＸ系列ＰＬＣ產(chǎn)品，其開關(guān)量和模擬量的輸入輸出可自由配置；采用斷電保持的程序存貯器，在無后備電池時斷電重新開機(jī)后也能正常工作（系統(tǒng)配有長效后備電池）；ＰＬＣ具有自檢功能，即使自身發(fā)生故障，也可確保系統(tǒng)安全；有日歷和標(biāo)準(zhǔn)時鐘功能，能有效追溯所有事件（包括故障事件和指定的重要操作）；具備２個通訊端口（編程器端口和通用端口），可同時使用，通過通用通訊端口與彩色液晶觸摸屏聯(lián)接，可直觀方便地顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、運行參數(shù)，可顯示全部開關(guān)元件的狀態(tài)及各種故障、報警信息。
系統(tǒng)配有電壓變送器、電流變送器、油溫變送器、油壓變送器、制動器閘瓦開關(guān)及測量纜車運行速度和運行位置的編碼器，以將相關(guān)參數(shù)采集傳送至ＰＬＣ內(nèi)進(jìn)行運算、處理，以便進(jìn)行相應(yīng)控制、保護(hù)。變送器均采用防塵、防水、防腐蝕的全密封機(jī)構(gòu)，防護(hù)等級ＩＰ６６。各種機(jī)構(gòu)均設(shè)有工作及緊急限位保護(hù)，以充分保證系統(tǒng)的安全運行。
４）變頻控制柜（Ｐ３）的主要功能
變頻控制柜實現(xiàn)對提升機(jī)電力拖動功能，變頻器運行主要由ＰＬＣ進(jìn)行控制。變頻采用日本安川Ｇ７系列３電平變頻器，用戶不用考慮更換電機(jī)，減少改造的成本，該系列變頻器具有轉(zhuǎn)矩限制功能、可進(jìn)行矢量控制、支持四象限運行（主要用于起重設(shè)備）。安川Ｇ７系列３電平變頻器特點：① 降低對電動機(jī)端子的沖擊電壓：不需要使用解決沖擊電壓的外選附件，可用于一般電機(jī)（包括繞線電機(jī)）；②降低高頻漏電流：減少接地檢測器的誤動作；③ 降低ＥＭＩ，可使干擾濾波器小型化、簡單化；④ 解決了軸承電流腐蝕問題，提高了軸承的使用壽命�？刂屏鞒倘鐖D２所示。
５）電源及制動單元柜（Ｐ４）的主要功能
主要用于向其他控制柜提供電源，提高電源輸入端的功率因數(shù)、減少諧波和提供能耗制動功能。
６）制動電阻柜（Ｐ５）的主要功能
當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，用于消耗電機(jī)反饋回變頻器的能量。
７）其他外圍設(shè)備的主要功能
系統(tǒng)配有電壓變送器、電流變送器、油溫變送器、油壓變送器、制動器閘瓦開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)，提供系統(tǒng)運行狀態(tài)、工作參數(shù)，包括運行電壓、工作電流、提升機(jī)負(fù)荷、油溫、油壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、纜車運行速度、纜車運行位置、當(dāng)期行程等，還為系統(tǒng)提供提升機(jī)精確定位的控制信號。
４井道開關(guān)描述
豎井的停靠位置共為６個中斷，在井口和井底定位開關(guān)成對配置，一個為非接觸式，另一個為接觸式開關(guān)；井口和井底過卷開關(guān)成對配置，為帶狀鎖定的安全開關(guān)；主井井口和井底減速開關(guān)成對配置，在井口配置井口位置校對開關(guān)（又稱原點開關(guān)）。中間４個水平中段的上下兩側(cè)各配置１個減速開關(guān)，作為提升機(jī)的上行和下行減速。提升機(jī)的井道開關(guān)不與信號系統(tǒng)的井道開關(guān)共用，礦山提升系統(tǒng)多為半自動操作方式。井道開關(guān)的布置如圖３所示。
５結(jié)語
通過對該系統(tǒng)的實驗運行，其運行速度非常平穩(wěn)，達(dá)到了設(shè)計要求，且具有安全、節(jié)能、維護(hù)少、易操作、低干擾、低噪音、低沖擊、自動變速等優(yōu)點。此系統(tǒng)的成功運行為變頻器在礦山豎井的應(yīng)用搭建了良好的平臺，更有助于礦山開發(fā)的進(jìn)一步發(fā)展。 |
