1、轉(zhuǎn)子變頻技 術(shù)在礦山提升機(jī)中的應(yīng)用摘 要 采用PLC控制的轉(zhuǎn)子變頻技術(shù)解決繼電器和接觸器控制的TKD電控技術(shù)所產(chǎn)生的故障率高，動(dòng)作不可靠，能耗高、效率低、噪聲大等突出問(wèn)題。關(guān)鍵詞PLC 轉(zhuǎn)子變頻技術(shù) 節(jié)能安全一、項(xiàng)目背景For personal use only in study and research; not for commercial use礦井提升機(jī)承擔(dān)礦物的提升、人員的上下、材料的運(yùn)送等任務(wù)， 是礦山大型關(guān)鍵設(shè)備，而其電控系統(tǒng)更是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，它的技術(shù)性 能和可靠性直接影響煤礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。十礦西風(fēng)井主井提 升機(jī)安裝于建井初期，已經(jīng)運(yùn)行多年，產(chǎn)品屬于仿蘇設(shè)計(jì)，生產(chǎn)日期 為

2、1958年，主機(jī)采用角移式制動(dòng)閘已不符合煤礦安全規(guī)程規(guī)定要求。同時(shí)西風(fēng)井主井電控系統(tǒng)為 TKD電控，TKD電控上世紀(jì)60年 代開(kāi)始使用于地面絞車和井下暗斜井絞車上，其已被國(guó)家安監(jiān)總局列為“禁止井工煤礦使用的設(shè)備及工藝目錄（第二批）”中，其原因主要 有以下幾點(diǎn)：1. 故障率高，動(dòng)作不可靠，接觸器觸頭易燒損，安全性差。For personal use only in study and research; not for commercial use2. 能耗高、效率低、噪聲大。為此，我們必須通過(guò)技術(shù)改造來(lái)滿足新要求，通過(guò)詳細(xì)技術(shù)論證與調(diào)研，為節(jié)約有限資金，在更改主軸裝置的同時(shí)，采用轉(zhuǎn)子變頻技術(shù)實(shí)

3、現(xiàn)提升機(jī)更新。二、轉(zhuǎn)子變頻優(yōu)點(diǎn)與技術(shù)原理轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速是將成熟的低壓變頻技術(shù)應(yīng)用于高壓電機(jī)調(diào)速的 一項(xiàng)最新科技成果，其融和了當(dāng)代最先進(jìn)電力電子技術(shù)、 交流調(diào)速技 術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)，特別是其獨(dú)有的以轉(zhuǎn)子控制定子、以低壓控制高 壓技術(shù)，使其在眾多風(fēng)機(jī)和水泵以及提升機(jī)高壓大中功率電動(dòng)機(jī)的調(diào) 速方案中獨(dú)樹(shù)一幟，具有其它調(diào)速方案不可替代的優(yōu)越性。中高壓電機(jī)，主要為三相異步電動(dòng)機(jī)，包括鼠籠型和繞線型，高 效率的調(diào)速方式有兩種，即定子側(cè)變頻和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻。定子側(cè)變頻也 叫高壓變頻，普遍應(yīng)用鼠籠型電動(dòng)機(jī)，其性能較好，但因?yàn)橄到y(tǒng)直接 接高壓電網(wǎng)，所以技術(shù)復(fù)雜、體積龐大、可靠性較低、價(jià)格昂貴。轉(zhuǎn) 子側(cè)變頻調(diào)速也叫轉(zhuǎn)子

4、變頻調(diào)速， 使用繞線型電動(dòng)機(jī)，將變頻調(diào)速基 本原理應(yīng)用于轉(zhuǎn)子側(cè)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子側(cè)使用低電壓，所以技術(shù)復(fù)雜度降低、 體積大為縮小、可靠性高、價(jià)格適中。1. 轉(zhuǎn)子變頻的優(yōu)點(diǎn) 可以用4001000V低壓變頻器來(lái)控制610kV中壓電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速。 所需逆變器的容量較小，僅為電動(dòng)機(jī)功率的 20%30%，由 于轉(zhuǎn)差功率回饋至電網(wǎng)(或電動(dòng)機(jī))，故能大大節(jié)約電能，可達(dá)30% 以上。 原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用的低壓IGBT的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于10kV定子 側(cè)中壓變頻裝置的中壓IGBT，無(wú)須配置大容量電抗器，故障率大為 降低。 與普通串級(jí)調(diào)速相比，功率因數(shù)較高，諧波較小。若采用IGBT 逆變器，則無(wú)5、7次諧波。2. 轉(zhuǎn)子變頻的工

5、作原理大容量的異步電機(jī)，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同分為鼠籠式和繞線 式兩大類。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系為：Pm = Pl 卡=口(1-S)n 二 a n2 二 R|(1 s)式中，s=(n! -n)/*為轉(zhuǎn)差率；P1為電機(jī)定子輸入的電磁功率；Pm為電機(jī)軸輸出的機(jī)械功率；Ps = SPl為轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率。ni = 60fi/p是定子電流產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，也稱同步轉(zhuǎn)速；ns = sni = 60f2/p是轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。 因?yàn)閚s=ni n,所以ns也稱作轉(zhuǎn)差速度。電機(jī)軸轉(zhuǎn)速n 二厲 - ns = (fi - f2)60/ p這里，p為電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。顯然，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由定子繞

6、組電流頻率 fi和轉(zhuǎn)子繞組電流頻率 f2共同決定。改變定子電流頻率fi和改變轉(zhuǎn)子電流頻率f2都能改變電 機(jī)軸轉(zhuǎn)速。鼠籠式電機(jī)，轉(zhuǎn)子繞組在內(nèi)部閉合，在電磁感應(yīng)的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn) 子電流，轉(zhuǎn)子電流頻率f2由轉(zhuǎn)差速度決定。若要人為改變電機(jī)速度， 只能通過(guò)改變定子電流頻率fi來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于鼠籠式電機(jī)僅能從定子輸 入電功率，所以變頻調(diào)速需要的變頻器容量不能小于電機(jī)功率。繞線式電機(jī)，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)滑環(huán)和電刷引到電機(jī)外面， 構(gòu)成轉(zhuǎn)子 回路。以往是在轉(zhuǎn)子電路中接入起動(dòng)電阻， 用來(lái)增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和減小 起動(dòng)電流?，F(xiàn)在是將轉(zhuǎn)子變頻器串接在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中，定子電流頻率fi不變，強(qiáng)制改變轉(zhuǎn)子電流頻率f2 ,于是構(gòu)成轉(zhuǎn)子變頻調(diào)

7、速運(yùn)行 方式。由于轉(zhuǎn)子變頻器接在轉(zhuǎn)子回路，涉及的是轉(zhuǎn)差功率Ps。轉(zhuǎn)差功率的大小為Ps = sPi,與轉(zhuǎn)差率s即速度變化范圍有關(guān)。轉(zhuǎn)子變頻 需要的變頻裝置功率不會(huì)超過(guò)電機(jī)額定功率的 30%。在轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速的運(yùn)行過(guò)程中，變頻器的微處理器 CPU采集電 動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子電流、頻率和電壓信號(hào)，處理后給晶閘管交 /交變頻 器發(fā)出控制指令。晶閘管交/交變頻器將工頻電源變?yōu)楹娃D(zhuǎn)子電流同頻率的電源， 加在電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中，改變轉(zhuǎn)子電流的頻率，從而改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速 度。變頻器在改變頻率的同時(shí)，還可以改變轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電壓的相 位關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)磁場(chǎng)改變電機(jī)定子電流和定子電壓的相位關(guān)系，提高電機(jī)自身的功率因數(shù)。電機(jī)自身

8、運(yùn)行的功率因數(shù)提高，電機(jī)定子電 流下降，電機(jī)自身的銅損和溫升降低，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力增大，電機(jī) 的運(yùn)行狀況得到改善。可使電機(jī)綜合功率因數(shù)提高到0.93以上，無(wú)功功率降低60%，可降低電機(jī)定子電流10%20%，節(jié)約線損銅損 20% 30%。因此，高壓電機(jī)采用轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速方式，不必安裝用來(lái)無(wú)功補(bǔ)償 的高壓電容，就可以實(shí)現(xiàn)比安裝高壓補(bǔ)償電容還要優(yōu)越的無(wú)功補(bǔ)償效 果。4.轉(zhuǎn)子變頻的接線圖42CKV/醴流變輸出丄1 L J “U 1a"E | m |1 1辛$-1 1-RBUII如I時(shí)1?超淀個(gè)饋 甲元逆吏單元II咼壓換向柜I一由接線圖可知，轉(zhuǎn)子變頻由整流變壓器、整流/回饋單元、逆變單元以及信號(hào)

9、等部分組成。將6KV繞線電機(jī)定子短接，向轉(zhuǎn)子提供0 50Hz變頻電源。選用西門子公司6SE70系列逆變器+整流回饋裝 置，具有調(diào)速范圍廣，調(diào)速精度高，調(diào)速性能好的特點(diǎn)，當(dāng)提升機(jī)運(yùn) 行于負(fù)力狀態(tài)時(shí)，變頻器自動(dòng)向供電電網(wǎng)發(fā)電，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電回 饋制動(dòng)狀態(tài)工作，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)省了大量的電能。三、經(jīng)濟(jì)效益分析1.直接經(jīng)濟(jì)效益 避免了購(gòu)買變頻電動(dòng)機(jī)的資金，直接節(jié)約 20 萬(wàn)元左右。 節(jié)省了安裝新電動(dòng)機(jī)所需的人工與改變電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)所需的資 金大約 10 萬(wàn)元左右。 十礦西風(fēng)井主井現(xiàn)主要是下放物料，提升矸石。原切電阻系 統(tǒng)電耗主要在轉(zhuǎn)子電阻上， 現(xiàn)變頻后下放重物時(shí)可全反饋電網(wǎng)， 按節(jié) 電 20% 計(jì)算，去

10、年主井全年電耗為 75 萬(wàn)元左右，全年可節(jié)電 15 萬(wàn) 元左右。2.間接經(jīng)濟(jì)效益 司機(jī)操作更加合理，采用變頻技術(shù)后，司機(jī)根據(jù)需要操縱主 令控制器就可使提升機(jī)平穩(wěn)加減速， 一般不需要工作閘配合， 使操作 簡(jiǎn)單方便。 由于采用全反饋下放重物， 下放重物時(shí)系統(tǒng)向電網(wǎng)反饋電能， 該節(jié)能效果無(wú)法具體計(jì)算。原切電阻時(shí)電能均消耗在轉(zhuǎn)子電阻上。 系統(tǒng)占地空間小，工業(yè)噪音明顯降低，使職工工作環(huán)境明顯 改觀。 在 PLC 程序采用雙程序， 即保留原轉(zhuǎn)子切電阻系統(tǒng)功能， 使 其作為主系統(tǒng)的備用程序，增加了系統(tǒng)的安全性。四、十礦西風(fēng)井提升機(jī)電控系統(tǒng)總體技術(shù)特點(diǎn) 西風(fēng)井主井絞車采用變頻技術(shù)后，因變頻技術(shù)沒(méi)有簡(jiǎn)易開(kāi)車系

11、統(tǒng)，為此我們保留了原電阻箱，并在 PLC 程序內(nèi)設(shè)置了一套完整的 交流 PLC 控制系統(tǒng)，在變頻系統(tǒng)出現(xiàn)不可短期內(nèi)恢復(fù)的問(wèn)題是，在 電控柜內(nèi)切換高壓短接點(diǎn)（轉(zhuǎn)子變頻時(shí)高壓定子需要短接） ，停用變 頻、整流柜電源，切換變頻柜轉(zhuǎn)子線路到電阻箱；送上交流 PLC 電 源后，主控柜直接控制高壓換向柜，電控系統(tǒng)轉(zhuǎn)入交流 PLC 運(yùn)行， 交流 PLC 附帶動(dòng)力制動(dòng)裝置，系統(tǒng)同樣完整可靠。五、總結(jié)轉(zhuǎn)子變頻技術(shù)在十礦西風(fēng)井提升機(jī)的應(yīng)用節(jié)約了有限資金， 不僅 完全能夠符合國(guó)家關(guān)于提升電控的要求，而且達(dá)到了節(jié)能高效的效 果。系統(tǒng)選用美國(guó)通用公司生產(chǎn)的 GE 系列可編程序控制器 。采用主、 副兩套美國(guó)通用公司生產(chǎn)的

12、 GE 可編程控制器。 應(yīng)用 PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化、維護(hù)方便，提高控制精度及安全可 靠性。上位機(jī)、主控PLC、副PLC，主傳動(dòng)設(shè)備6SE信號(hào)系統(tǒng)通過(guò) PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成局域網(wǎng)，并且可以與地面生產(chǎn)調(diào)整或全礦 集中控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通訊。主 PLC 包括主機(jī)架、電源模塊、 CPU 模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊、 模擬量 I/O 模塊、數(shù)字量 I/O 模塊等。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作進(jìn)行控制和 管理，其中主要包括對(duì)液壓站的控制、執(zhí)行正常的操作程序、接受并 生成開(kāi)車信號(hào)和方向信號(hào)、 實(shí)現(xiàn)各種故障保護(hù)及閉鎖。 同時(shí)還包括與 上位機(jī)通訊及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。副 PLC 采用與主 PLC

13、同樣 CPU 的一套可編程控制器，主、副 兩套 PLC 可實(shí)現(xiàn)雙線制保護(hù)。 對(duì)影響提升運(yùn)行的關(guān)鍵信號(hào) （如速度、 容器位置、減速、過(guò)卷等）均采用多重保護(hù)，互為監(jiān)視，具有全行程 速度和位置保護(hù)功能。 應(yīng)用至今運(yùn)行良好， 為我公司將來(lái)高壓電機(jī)技 術(shù)改造做出了嘗試，取得非常好的效果，系統(tǒng)安全可靠，采用變頻主 系統(tǒng)， 交流 PLC 輔助備用， 為礦井的安全生產(chǎn)運(yùn)行做出巨大的貢獻(xiàn)。僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecki verwendet we