礦井主提升機(jī)控制系統(tǒng)變頻改造技術(shù)難點(diǎn)與解決方案
冀慶亞(峰峰集團(tuán)有限公司,河北邯鄲0562007)
摘 要:闡述了傳統(tǒng)礦井主提升機(jī)控制系統(tǒng)改造技術(shù),即變頻改造過程中遇到的起動(dòng)頻繁、負(fù)荷變化大并且無規(guī)律、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大,全負(fù)荷啟動(dòng)以及礦井井下環(huán)境差、空氣潮濕、渾濁等技術(shù)難點(diǎn)及相應(yīng)的解決方案。同時(shí)敘述了為滿足礦井特殊需要而實(shí)施的冗余設(shè)計(jì)技術(shù)。
關(guān)鍵詞:提升機(jī);控制系統(tǒng);變頻技術(shù);改造
中圖分類號(hào):TD534+. 5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1003-496X(2006)12-0050-04
目前峰峰集團(tuán)公司乃至全國礦用提升機(jī)沿用高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng),普遍采用繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方式調(diào)速,該系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn):
(1)大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上,造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi),同時(shí)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(jī)碳刷容易損壞,維護(hù)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(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制,特別是在負(fù)載發(fā)生變化時(shí),很難實(shí)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(dòng)和換檔沖擊電流大,造成了很大的機(jī)械沖擊,導(dǎo)致電機(jī)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(dòng)化程度不高,增加了開采成本,影響了產(chǎn)量。
(6)低電壓和低速段的啟動(dòng)力矩小,帶負(fù)載能力差,無法實(shí)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(gè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用,為礦用提升機(jī)控制系統(tǒng)的換代改造提供了契機(jī),峰峰集團(tuán)公司工程技術(shù)人員經(jīng)試驗(yàn)研究對(duì)公司幾部礦用提升機(jī)電控變頻器進(jìn)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(dòng)特性與普通風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載相比較,提升機(jī)變頻器對(duì)力矩有非常嚴(yán)格的要求。
(1)起動(dòng)力矩很大:起動(dòng)力矩一般在額定力矩的1. 8倍以上。
(2)加速力矩:運(yùn)行過程中,要求加速時(shí)間要短,需要提供較大的加速力矩。
(3)制動(dòng)力矩:制動(dòng)力矩分3種情況:第一種是在高速運(yùn)行時(shí)快速減速,這時(shí)需要相應(yīng)的制動(dòng)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(jī)械抱閘未起作用這一段時(shí)間,變頻器要給相應(yīng)的制動(dòng)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(dòng)機(jī)其中一相等效電路如圖1所示。
圖1 異步電動(dòng)機(jī)其中一相等效電路
其中 Vs———電機(jī)端電壓;
Es———電機(jī)端感應(yīng)電勢(shì),它與定子磁通相對(duì)應(yīng):ψs=∫Esdt;
Eg———在等效電路上表現(xiàn)為互感壓降,它與氣隙磁通相對(duì)應(yīng):ψm=∫Egdt;
Er———轉(zhuǎn)子電勢(shì)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁通:ψr=∫Erdt。
在Vs與頻率成正比的控制中,高頻區(qū)最大轉(zhuǎn)矩不變,為恒力矩調(diào)速。低頻時(shí)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(shí)一般需要施加低頻電壓補(bǔ)償,在低頻時(shí),輸出電壓應(yīng)高于與頻率成正比的電壓數(shù)值。
對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載,轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的降低而減小,起動(dòng)力矩一般都小于額定轉(zhuǎn)矩,因此低頻段稍加補(bǔ)償即可滿足需求。提升機(jī)變頻器則不然,起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩至少要大于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩與最大靜摩擦力之和,同時(shí)在低速時(shí)還要提供所需的加速力矩,因此它要求的起動(dòng)力矩比穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)大得多,加速過程中的力矩也比穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)的力矩大得多,這就需要在低頻端施加足夠的補(bǔ)償,以提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及低速時(shí)的力矩。另一方面,提升機(jī)每次提升的負(fù)載是不同的,有時(shí)近似為空載運(yùn)行。若均按最大負(fù)荷時(shí)所需力矩施加低頻補(bǔ)償,輕載時(shí),電機(jī)會(huì)進(jìn)入嚴(yán)重過勵(lì)磁狀態(tài),電機(jī)銅損、鐵損加劇,時(shí)間稍長則有可能燒毀電機(jī)。
另外,提升機(jī)負(fù)載下放時(shí),在非常低的頻率下,即進(jìn)入發(fā)電運(yùn)行狀態(tài),這時(shí),母線電壓最大將上升20%,電機(jī)勵(lì)磁電流增大,電機(jī)進(jìn)入過勵(lì)磁狀態(tài)。
要使電機(jī)既有足夠的轉(zhuǎn)矩,又不進(jìn)入嚴(yán)重的過勵(lì)磁狀態(tài),低頻時(shí)的電壓補(bǔ)償應(yīng)該是隨負(fù)載變化的,對(duì)應(yīng)不同的負(fù)載有不同的補(bǔ)償數(shù)值。解決這一問題可以有兩種不同的思路:
(1)實(shí)測(cè)提升機(jī)的力矩確定合適的補(bǔ)償。提升機(jī)在每次提升過程中,負(fù)載是不變的,因而在起動(dòng)后的一個(gè)短時(shí)間內(nèi),如果檢測(cè)一下此時(shí)的電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,則可以確定此次提升所需的低頻補(bǔ)償。
電動(dòng)運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)矩為正,發(fā)電運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩為負(fù),針對(duì)不同的轉(zhuǎn)矩可以對(duì)應(yīng)不同的低頻補(bǔ)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(bǔ)償量制成表格以備查。
這種方法比較簡(jiǎn)單,但它滿足運(yùn)行需要只是近似的,而且在起動(dòng)過程完成之后,即進(jìn)入到完全的V/F控制運(yùn)行模態(tài),屬磁通開環(huán)控制。
(2)實(shí)測(cè)電機(jī)磁通,且使電機(jī)磁通等于給定數(shù)值,如果在運(yùn)行中補(bǔ)償?shù)舳ㄗ与娮鑂s上的壓降,保持Es與頻率的比為定值,則運(yùn)行中即保持定子磁通ψm為定值。如果進(jìn)一步補(bǔ)償L′s上的壓降,則運(yùn)行中能保證氣隙磁通ψm為定值。如果再進(jìn)一步補(bǔ)償?shù)鬖′r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(shí)最大轉(zhuǎn)矩大于V/F恒定時(shí)的轉(zhuǎn)矩?cái)?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(shí)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(gè)即可知道另外兩個(gè)。
2 能量回饋四象限運(yùn)行礦井提升機(jī)處于四象限運(yùn)行的工況,當(dāng)提升機(jī)負(fù)重下放或快速減速時(shí),電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)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(dú)立直流電源多,無法再用耗能電阻來消耗這部分能量,只能將其回饋電網(wǎng)。
為實(shí)現(xiàn)這一功能,每個(gè)功率單元內(nèi)均包括兩個(gè)逆變器,電源側(cè)是一個(gè)三相逆變器,輸出側(cè)是一個(gè)單相逆變器。當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí),能量從電源流向負(fù)載輸出側(cè);當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時(shí),負(fù)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)?；仞佒麟娐啡鐖D2。
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(gè)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)。
回饋過程的控制由
(1)幅相控制,也稱間接電流控制,原理簡(jiǎn)述如圖3。
圖3 單相簡(jiǎn)化電路
Ea、Eb與電感壓降EL向量圖如圖4。
圖4 電動(dòng)勢(shì)量圖
若要求回饋電流與電壓反相(此時(shí)效率最高),這時(shí)應(yīng)用有Ea=Eb·cosα EL=Eb·sinα。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EL Ea,此時(shí)角α甚小,可近似認(rèn)為tgα=sinα=α,P=32ωlEaEbα。
當(dāng)回饋能量與電機(jī)發(fā)電提供能量相一致時(shí)達(dá)到平衡,此時(shí)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(shí)調(diào)整角度α與幅度En滿足Eb≈Eacosα調(diào)整Eb由改變調(diào)制度實(shí)現(xiàn)。
實(shí)際上,當(dāng)α很小時(shí),Eb≈Ea影響回饋功率的主要因素是α角,因此,在母線幅度變化不大的條件下,可以僅調(diào)整α角以改變回饋功率。詳細(xì)分析可知,這種方法回饋能量在α小于45°范圍內(nèi)隨α單調(diào)上升,因而穩(wěn)定工作范圍,限制在α小于45°,在α較大時(shí),上述α甚小,給出的結(jié)論不成立。
這種方法控制較簡(jiǎn)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,α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(shí)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(shí)現(xiàn),最常見的是滯環(huán)電流控制。這種方法是將實(shí)測(cè)回饋電流與參考電流相比較,將比較的差經(jīng)運(yùn)算直接控制PWM信號(hào)的占空比,以調(diào)整回饋電流,在不斷的調(diào)整過程中,使實(shí)測(cè)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(gè)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(gè)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(hào)。因此,直接電流控制可同時(shí)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?yàn)樗且粋€(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際是一個(gè)多極點(diǎn)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(shí),有可能進(jìn)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(shí)檢測(cè)三相電壓、三相電流及直流母線,因此整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成較復(fù)雜。
(3)關(guān)于同步信號(hào)。無論采用何種控制方式,要保證回饋正常進(jìn)行,都必須隨時(shí)檢測(cè)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(zhǔn)確的檢測(cè)三相無零線系統(tǒng)中各相電壓的相位。這一單運(yùn)算可由運(yùn)放直接完成。
3 適應(yīng)井下惡劣環(huán)境
井下潮濕度大,這對(duì)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)5 700~6 800 V的電壓波動(dòng)范圍,適應(yīng)潮濕度100%腐蝕性強(qiáng)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(duì)所有器件噴刷絕緣清漆增強(qiáng)防潮性。經(jīng)過實(shí)地對(duì)電壓變化狀況的考察,發(fā)現(xiàn)電壓最低時(shí)為5 700 V左右,最高在6 800 V左右,多數(shù)情況是在6 400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(jí)電壓6 000V提升為6 400V)來防止由于電壓波動(dòng)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(jì)
礦井主提升機(jī)擔(dān)負(fù)著提升人員和物料的主要任務(wù),其控制系統(tǒng)的安全可靠性是衡量其性能的最主要指標(biāo)。其中冗余技術(shù)是設(shè)計(jì)方案的首選,設(shè)計(jì)主要采取以下措施:
4. 1 冗余技術(shù)
(1)器件冗余:對(duì)整機(jī)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。①電壓冗余:對(duì)于6 000 V的變頻器每相串聯(lián)的功率單元為6個(gè), 6個(gè)單元總輸出電壓為3 464 V、平均每個(gè)單元輸出電壓為577 V,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(shí)達(dá)到預(yù)定電壓,空載時(shí)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(jì)算,每個(gè)單元標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓應(yīng)為525 V母線電壓標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值約742 V,采用1 700 V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400 V電解電容串聯(lián),在正常均壓情況下,每只電解電容承擔(dān)的電壓在250 V以下,亦有充足的電壓余量。
②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(gè)單元中設(shè)有旁路支路,當(dāng)單元故障時(shí)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(jī)變頻器又工作在頻繁起動(dòng)的工況下,起動(dòng)時(shí)又存在大的電流沖擊,這對(duì)功率器件的壽命會(huì)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,以減少功率器件的電壓、電流應(yīng)力。
4. 3 低溫升設(shè)計(jì)
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
普通變頻器設(shè)計(jì)溫升小于
4. 4 抗干擾性能力
要保證整機(jī)高可靠性運(yùn)行,應(yīng)最大限度的提高整機(jī)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理想程度,這將是以后要下力氣做的一個(gè)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(jì):做好屏蔽、接地隔離等措施。
(2)工藝設(shè)計(jì):排板、布線等盡可能合理。
(3)電源設(shè)計(jì):即整機(jī)控制電源應(yīng)進(jìn)行良好凈化,盡可能去除從電源引入的干擾。
(4)電路設(shè)計(jì):硬件電路本身應(yīng)具有良好的抗干擾措施。
(5)軟件設(shè)計(jì):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。
抗干擾能力處理好壞,對(duì)整機(jī)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(jì)來保證。
以上是我們?cè)诩瘓F(tuán)公司礦用提升機(jī)控制系統(tǒng)變頻器技術(shù)改造中的一些具體做法。通過運(yùn)行礦用提升機(jī)控制系統(tǒng)高壓變頻器技術(shù)改造,能夠適應(yīng)電壓波動(dòng)范圍大,潮濕度高,腐蝕性強(qiáng),巷道破壞嚴(yán)重,環(huán)境惡劣的條件。能夠在負(fù)荷變化無規(guī)律的采區(qū)軌道坡上實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行;能夠滿足提升機(jī)頻繁啟動(dòng)的客觀要求。通過運(yùn)行提升機(jī)的電控參數(shù)正常、系統(tǒng)穩(wěn)定、故障率低、運(yùn)行安全、可靠、高效,實(shí)踐證明技術(shù)研究是成功的。
由于現(xiàn)場(chǎng)情況是變化萬千的,我們工程技術(shù)人員要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況反復(fù)研究,根據(jù)具體問題,采取更加高效、簡(jiǎn)單、適用的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)礦用提升機(jī)控制系統(tǒng)的合理、科學(xué)的技術(shù)改造。
作者簡(jiǎn)介:冀慶亞(1968-),男, 1995年畢業(yè)于焦作工學(xué)院,工程師,曾任礦井機(jī)電科技術(shù)員、科長,現(xiàn)在峰峰集團(tuán)責(zé)任有限公司煤炭生產(chǎn)部機(jī)械科工作,集團(tuán)公司專業(yè)技術(shù)拔尖人才,長期從事煤礦機(jī)電技術(shù)管理工作,曾發(fā)表《雷電事故及其防范措施》等多篇論文。
