礦井主提升機控制系統(tǒng)變頻改造技術(shù)難點與解決方案

1、礦井主提升機控制系統(tǒng)變頻改造技術(shù)難點與解決方案冀慶亞 (峰峰集團有限公司 ,河北邯鄲 0562007)摘 要 :闡述了傳統(tǒng)礦井主提升機控制系統(tǒng)改造技術(shù),即變頻改造過程中遇到的起動頻繁、負荷變化大并且無規(guī)律、啟動轉(zhuǎn)矩較大,全負荷啟動以及礦井井下環(huán)境差、空氣潮濕、渾濁等技術(shù)難點及相應(yīng)的解決方 案。同時敘述了為滿足礦井特殊需要而實施的冗余設(shè)計技術(shù)。 關(guān)鍵詞:提升機;控制系統(tǒng) ;變頻技術(shù);改造中 圖 分 類 號 :TD534+.5 文 獻 標 識 碼 :B 文 章 編號:1003-496X(2006)12-0050-04 目前峰峰集團公司乃至全國礦用提升機沿用高壓電機驅(qū)動的控制系統(tǒng) ,普遍采用繞線電機

2、轉(zhuǎn)子串電阻的方式調(diào)速,該系統(tǒng)存在以下缺點 :(1) 大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上 ,造成了嚴重的能源浪費 ,同時電阻器 的安裝需要占用很大的空間。(2) 控制系統(tǒng)復(fù)雜 ,導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高 ,接觸器、 電阻器、繞線電機碳刷 容易損壞 ,維護工作量很大 ,直接影響了生產(chǎn)效率。(3) 低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現(xiàn)速度控制 ,特別是在 負載發(fā)生變化時 ,很難實現(xiàn)恒減速控制 ,導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、 速度控制性能 較差。(4) 啟動和換檔沖擊電流大 ,造成了很大的機械沖擊 ,導(dǎo)致電機的使用壽 命大大降低 ,而且極容易出現(xiàn) “掉道 ”現(xiàn)象。(5) 自動化程度不高 ,增加了開采成本 ,影響了產(chǎn)量。(

3、6) 低電壓和低速段的啟動力矩小 ,帶負載能力差 ,無法實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升近幾年來 ,變頻器技術(shù)的發(fā)展趨于成熟以及在各個領(lǐng)域的成功應(yīng)用 ,為 礦用提升機控制系統(tǒng)的換代改造提供了契機 ,峰峰集團公司工程技術(shù)人 員經(jīng)試驗研究對公司幾部礦用提升機電控變頻器進行了改造 ,解決了上 述問題。1 適應(yīng)絞車頻繁起停與低速大扭距起動特性與普通風(fēng)機、 水泵類負載 相比較,提升機變頻器對力矩有非常嚴格的要求。(1) 起動力矩很大 :起動力矩一般在額定力矩的 1.8 倍以上。(2) 加速力矩 :運行過程中 ,要求加速時間要短 ,需要提供較大的加速力矩。(3) 制動力矩 :制動力矩分 3 種情況 :第一種是在高速運行時快

4、速減速 ,這 時需要相應(yīng)的制動力矩 ;第二種情況是帶重物下放 ;第三種情況是在停 止?fàn)顟B(tài) ,機械抱閘未起作用這一段時間 ,變頻器要給相應(yīng)的制動力矩以 防止重物下滑溜車。(4) 低頻力矩特性。下邊將敘述為得到所需的力矩特性所采取的措 施: 異步電動機其中一相等效電路如圖 1 所示。圖 1 異步電動機其中一相等效電路其中 Vs電機端電壓；E電機端感應(yīng)電勢，它與定子磁通相對應(yīng)：® s=f Esdt;Eg在等效電路上表現(xiàn)為互感壓降，它與氣隙磁通相對 應(yīng):® m=f Egdt;Er轉(zhuǎn)子電勢對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁通：® r= j Erdt在 Vs 與頻率成正比的控制中 ,高頻區(qū)最大轉(zhuǎn)矩

5、不變 ,為恒力矩調(diào)速。低 頻時由于定子電阻 Rs上壓降的影響，將使定子磁通降低，較大的影響最 大輸出轉(zhuǎn)矩。因此,在低頻時一般需要施加低頻電壓補償 ,在低頻時,輸出 電壓應(yīng)高于與頻率成正比的電壓數(shù)值。對于風(fēng)機、泵類負載 ,轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的降低而減小 ,起動力矩一般都小于額 定轉(zhuǎn)矩,因此低頻段稍加補償即可滿足需求。 提升機變頻器則不然 ,起動 時轉(zhuǎn)矩至少要大于額定轉(zhuǎn)速運行時的轉(zhuǎn)矩與最大靜摩擦力換行之和,同時在低速時還要提供所需的加速力矩 ,因此它要求的起動力矩比穩(wěn)速 運行時大得多 ,加速過程中的力矩也比穩(wěn)速運行時的力矩大得多,這就需要在低頻端施加足夠的補償 ,以提高起動轉(zhuǎn)矩及低速時的力矩。另一 方面,

6、提升機每次提升的負載是不同的 ,有時近似為空載運行。 若均按最 大負荷時所需力矩施加低頻補償 ,輕載時 ,電機會進入嚴重過勵磁狀態(tài) , 電機銅損、鐵損加劇 ,時間稍長則有可能燒毀電機。另外,提升機負載下放時 ,在非常低的頻率下 ,即進入發(fā)電運行狀態(tài) ,這時, 母線電壓最大將上升 20%,電機勵磁電流增大 ,電機進入過勵磁狀態(tài)。 要使電機既有足夠的轉(zhuǎn)矩 ,又不進入嚴重的過勵磁狀態(tài) ,低頻時的電壓 補償應(yīng)該是隨負載變化的 ,對應(yīng)不同的負載有不同的補償數(shù)值。解決這 一問題可以有兩種不同的思路 ：(1) 實測提升機的力矩確定合適的補償。提升機在每次提升過程中,負載是不變的 ,因而在起動后的一個短時間內(nèi)

7、,如果檢測一下此時的電機的負載轉(zhuǎn)矩 ,則可以確定此次提升所需的低頻補償。電動運行時 ,轉(zhuǎn)矩為正 ,發(fā)電運行時轉(zhuǎn)矩為負 ,針對不同的轉(zhuǎn)矩可以對應(yīng) 不同的低頻補償數(shù)值 ,這可以通過查表得到 ,即預(yù)先將不同情況下所需 的補償量制成表格以備查。這種方法比較簡單 ,但它滿足運行需要只是近似的 ,而且在起動過程完 成之后,即進入到完全的V/F控制運行模態(tài)，屬磁通開環(huán)控制。(2) 實測電機磁通 ,且使電機磁通等于給定數(shù)值 ,如果在運行中補償?shù)舳?子電阻Rs上的壓降，保持Es與頻率的比為定值，則運行中即保持定子磁 通®m為定值。如果進一步補償L'上的壓降，則運行中能保證氣隙磁通 ®

8、m為定值。如果再進一步補償?shù)鬖'上的壓降，即可保持轉(zhuǎn)子磁通為定 值。保持定子磁通為定值 ,低頻時最大轉(zhuǎn)矩大于 V/F 恒定時的轉(zhuǎn)矩數(shù)值 但最大轉(zhuǎn)矩仍將隨頻率降低而減小 ,保持氣隙磁通恒定 ,則最大轉(zhuǎn)矩與 頻率無關(guān) ,保持轉(zhuǎn)子磁通恒定 ,則轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差成正比。實際上 ,三種磁通是相互聯(lián)系的 ,它們之間可以互相換算 ,知道其中一個 即可知道另外兩個。2 能量回饋四象限運行礦井提升機處于四象限運行的工況,當(dāng)提升機負重下放或快速減速時 ,電機處于發(fā)電運行狀態(tài) ,變頻器必須能夠安全 處理這部分能量。 由于高壓變頻器單元數(shù)量多 ,獨立直流電源多 ,無法再 用耗能電阻來消耗這部分能量 ,只能將其回饋電

9、網(wǎng)。為實現(xiàn)這一功能 ,每個功率單元內(nèi)均包括兩個逆變器 ,電源側(cè)是一個三 相逆變器 ,輸出側(cè)是一個單相逆變器。 當(dāng)電機處于電動運行狀態(tài)時 ,能量 從電源流向負載輸出側(cè) ;當(dāng)電機處于發(fā)電運行狀態(tài)時 ,負載輸出側(cè)的逆 變器處于整流工作狀態(tài)。電源側(cè)的逆變器工作將能量饋送至電網(wǎng)?；?饋主電路如圖 2。圖 2 回饋主電路圖中IGBT構(gòu)成三相全橋逆變器，三相電感L為限流電抗，電源側(cè)的三 個電容C濾除逆變器產(chǎn)生的高次諧波，防止高頻電流流入電網(wǎng)?；仞佭^程的控制由87C196MC完成,完成能量回饋，可以有不同的控制策 略。(1) 幅相控制 ,也稱間接電流控制 ,原理簡述如圖 3。圖 3 單相簡化電路Ea Eb與電

10、感壓降EL向量圖如圖4。換行圖 4 電動勢量圖若要求回 饋電流與電壓反相(此時效率最高),這時應(yīng)用有Ea=Eb - cos EL=Eb - sin由于電抗要求安裝在單元之內(nèi)，體積必須盡量 小,因此限流電感的電感量甚小,EL比Eb小得多，即ELEa此時角a甚小, 可近似認為 tg a =sin a = a ,P=32® lEaEb a 當(dāng)回饋能量與電機發(fā)電提供能量相一致時達到平衡,此時母線電壓保持穩(wěn)定。如果要使回饋電流始終與電源電壓反相，則應(yīng)同時調(diào)整角度a與幅度En 滿足EbEacos調(diào)整Eb由改變調(diào)制度實現(xiàn)。實際上，當(dāng)a很小時,EbE影響回饋功率的主要因素是 a角，因此，在母線 幅度

11、變化不大的條件下，可以僅調(diào)整a角以改變回饋功率。詳細分析可 知,這種方法回饋能量在a小于45。范圍內(nèi)隨a單調(diào)上升,因而穩(wěn)定工作 范圍,限制在a小于45°,在a較大時，上述a甚小,給出的結(jié)論不成立。 這種方法控制較簡單 ,系統(tǒng)易穩(wěn)定。由于沒有電流閉環(huán) ,回饋波形較差。 另外，a角容差較小，若有較大誤差，則產(chǎn)生較大的電流尖峰諧波。 如果要改善回饋電流波形 ,則應(yīng)增加電流閉環(huán) ,此時則形成直接電流控 制。(2) 直接電流控制。直接電流控制可有多種方法實現(xiàn) ,最常見的是滯環(huán)電 流控制。這種方法是將實測回饋電流與參考電流相比較 ,將比較的差經(jīng) 運算直接控制 PWM 信號的占空比 ,以調(diào)整回饋電

12、流 ,在不斷的調(diào)整過程 中,使實測回饋電流跟蹤參考電流 ,與參考電流之間的誤差控制在一個 允許的范圍之內(nèi)。某一相的參考電流是將該相電源電壓乘一個合適的系數(shù)得到的 ,因而回 饋電流跟蹤電源電壓。這樣可以得到正弦度較好 ,且與電源無相位差的 回饋信號。因此 ,直接電流控制可同時保持母線電壓恒定且回饋電流波 形質(zhì)量較好 ,具有較好的性能。另一方面 ,正因為它是一個雙閉環(huán)系統(tǒng) ,整個系統(tǒng)實際是一個多極點反 饋系統(tǒng) ,若參數(shù)選擇不合理 ,則可能出現(xiàn)不穩(wěn)定 ,尤其是在回饋能量大幅度突變時 ,有可能進入失控狀態(tài)。 因此 ,這一控制方式又應(yīng)有其保證穩(wěn)定工作的措施。另外 ,這種控制方式必須同時檢測三相電壓、 三

13、相電流及直流母線 ,因此 整個系統(tǒng)構(gòu)成較復(fù)雜。(3) 關(guān)于同步信號。 無論采用何種控制方式 ,要保證回饋正常進行 ,都必須 隨時檢測三相輸入電壓的相位 ,而輸入為三相無零線系統(tǒng) ,這就是說電 流回饋電路中必須準確的檢測三相無零線系統(tǒng)中各相電壓的相位。這 一單運算可由運放直接完成。3 適應(yīng)井下惡劣環(huán)境井下潮濕度大 ,這對變頻器的絕緣、器件的抗腐蝕性都提出了更高的要求，為了使電控能適應(yīng)57006800V的電壓波動范圍，適應(yīng)潮濕度100%腐 蝕性強的井下霧氣環(huán)境。因此我們采用了耐壓高的絕緣材料并刷涂絕 緣清漆,對所有器件噴刷絕緣清漆增強防潮性。經(jīng)過實地對電壓變化狀 況的考察,發(fā)現(xiàn)電壓最低時為 570

14、0V 左右,最高在 6800V 左右,多數(shù)情況 是在 6400 左右。于是 ,決定采用改變移相變壓器變比的方法 (將原來的 初級電壓6000V提升為6400V)來防止由于電壓波動過大造成變頻器不 能穩(wěn)定工作的現(xiàn)象發(fā)生。4 高可靠性設(shè)計礦井主提升機擔(dān)負著提升人員和物料的主要任務(wù) ,其控制系統(tǒng)的 換行 安全可靠性是衡量其性能的最主要指標。其中冗余技術(shù)是設(shè)計方案的 首選,設(shè)計主要采取以下措施 :4.1 冗余技術(shù)(1)器件冗余 :對整機可靠性影響最大的器件主要是主功率器件及主回 路中的電解電容 ,器件冗余是指在工作中 ,器件的電壓電流均留有足夠 大的冗余 ,這樣器件損壞的幾率可大幅度的減小。 電壓冗余

15、 :對于6000V 的變頻器每相串聯(lián)的功率單元為 6 個,6 個單元總輸出電壓為 3464V、平均每個單元輸出電壓為 577V為盡量降低功率單元的母線電 壓,調(diào)制波中注入三次諧波 ,采用予畸變技術(shù) ,可將母線電壓降低至不加 予畸變的 0.866 倍。前邊的輸入變壓器均有一定的阻抗電壓,為在滿載時達到預(yù)定電壓 ,空載時均應(yīng)當(dāng)高出一定余量。 我們要求變壓器的阻抗盡量低 ,要求 3%6%。 以5%計算,每個單元標準輸入電壓應(yīng)為525V母線電壓標準數(shù)值約742V, 采用1700V的IGBT工作電壓在器件額定值的1/2以下。主電路的電解 電容采用了 3只400V電解電容串聯(lián)，在正常均壓情況下，每只電解電

16、容 承擔(dān)的電壓在250V以下，亦有充足的電壓余量。電流冗余:IGBT的額定電流應(yīng)不小于額定工作電流幅值(有效值的2 倍)的三倍,功率器件有足夠的電流余量。(2)電路冗余 ,每個單元中設(shè)有旁路支路 ,當(dāng)單元故障時旁路支路導(dǎo)通 ,其 余單元仍可正常工作。4.2合理的吸收電路盡可能減少IGBT的電壓及電流應(yīng)力。IGBT開關(guān)過 程中，產(chǎn)生很高的di/dt與dV/dt,提升機變頻器又工作在頻繁起動的工況 下,起動時又存在大的電流沖擊 ,這對功率器件的壽命會有較大影響 ,為 盡量減少這一影響 ,應(yīng)采取合適的吸收電路 ,盡可能減少 di/dt 與 dV/dt, 的數(shù)值 ,也即是盡可能使開關(guān)軟化 ,以減少功率

17、器件的電壓、電流應(yīng)力。 4.3 低溫升設(shè)計功率器件、電解電容使用壽命和工作溫度密切相關(guān)，一般給出80C時的 工作壽命，溫度每升高10C壽命約降低一半，每下降10C壽命增加一倍。 這樣,盡可能地降低整機溫升 ,將會大幅度提高整機可靠性。普通變頻器設(shè)計溫升小于 30 °C ,以最高環(huán)境溫度40 C計算，機內(nèi)最高溫 度約為70C，而高壓提升機變頻器設(shè)計溫升在 15C以下，主要器件的壽 命將成倍增加 ,可靠性也將大幅度提高。4.4 抗干擾性能力要保證整機高可靠性運行 ,應(yīng)最大限度的提高整機抗干擾性能 ,這一方 面我們還有許多工作要做 ,抗干擾性能還沒有處理到 換行理想程度,這 將是以后要下力

18、氣做的一個方面。提高抗干擾性能 ,我們主要從以下方 面著手:(1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 :做好屏蔽、接地隔離等措施。(2) 工藝設(shè)計 :排板、布線等盡可能合理。(3) 電源設(shè)計 :即整機控制電源應(yīng)進行良好凈化 ,盡可能去除從電源引入 的干擾。(4) 電路設(shè)計 :硬件電路本身應(yīng)具有良好的抗干擾措施。(5) 軟件設(shè)計 :考慮抗干擾能力。(6) 外部接口的設(shè)置 :要充分考慮避免從外部接口引入的干擾?？垢蓴_能力處理好壞 ,對整機可靠性的影響極大 ,這一性能主要依靠合理的結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計來保證。以上是我們在集團公司礦用提升機控制系統(tǒng)變頻器技術(shù)改造中的一些 具體做法。通過運行礦用提升機控制系統(tǒng)高壓變頻器技術(shù)改造,能夠適應(yīng)電壓波動范圍大 ,潮濕度高,腐蝕性強,巷道破壞嚴重 ,環(huán)境惡劣的條件。 能夠在負荷變化無規(guī)律的采區(qū)軌道坡上實現(xiàn)四象限運