基于矢量控制的提升絞車電控系統高壓變頻改造

王曉艷

摘 要：提升絞車是礦山生產的關鍵設備，運行特性復雜，速度快，慣性大，其電控系統的技術性能和可靠性直接影響礦山的安全生產，一旦提升過程失去控制，或者未能按照給定速度運行，就可能發生超速、過卷等重大安全事故，造成設備損壞甚至人員傷亡，給企業帶來重大損失。該文闡述了鉛硐山礦斜井絞車串電阻調速方式的固有缺陷和存在問題，介紹了基于矢量控制的高壓變頻器在該礦改造中的應用情況，實踐證明該系統運行穩定、安全可靠、節能效果顯著。

關鍵詞：高壓變頻器 電控系統 調速 效果

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0038-01

1 系統現狀及存在的問題

陜西鉛硐山礦業有限公司3#斜井長度650m，井巷傾斜坡度25°，絞車采用10kV/355kW電動機驅動的串電阻調速系統，通過交流接觸器切除電阻達到調速目的。這樣的調速方式能耗高、調速性能差、脈動大、不穩定、有沖擊、維護費用高。尤其該調速系統在長期的運行過程中，存在人行車運行時速度主要靠人員操作閘瓦控制，運行忽快忽慢不平穩；重負荷提升時電動機啟動電流過大偶爾造成過流跳閘；井口自動摘鉤時，由于制動不穩定容易發生礦車“掉道”或“不脫鉤”等現象，對斜井提升的安全性有很大影響。

2 電控系統發展現狀

提升機的電氣傳動系統經歷了多種控制方式階段。隨著電子技術和計算機技術的飛速發展，目前電控系統的發展方向是將變頻調速技術應用于礦井提升機。變頻器的調速控制電路簡單，技術成熟，可以實現提升機的恒加速和恒減速控制，克服了接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發生率，而且具有十分明顯的節能效果。尤其該調速系統已在國內外提升機上得到了廣泛應用。

3 變頻改造

為了保證絞車工作的可靠性和連續性，在保留原轉子串電阻調速系統的基礎上，增加高壓變頻電控系統。改造時，充分考慮系統工作的可靠性、安全性和可操作性。以變頻系統為主，轉子串電阻調速系統作為后備，原系統的監控保護功能采用雙PLC實現，使變頻保護與電阻調速系統成雙重保護，確保生產不受影響。

3.1 設備選型

通過對目前變頻器調速技術的實際考察和對比論證，最終選用了北京合康億盛變頻科技股份有限公司生產的基于矢量控制的高壓變頻器調速系統：型號IVERT-YVF10/048。

3.2 矢量控制概念

矢量控制簡稱VC，基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。矢量控制變頻器不僅在調速范圍上可以與直流電動機相媲美，而且可以直接控制異步電動機轉矩的變化，是一中理想的調速方法，所以在許多精密或快速控制的領域得到應用。

3.3 電控系統構成

考慮到電源電壓10kV，電動機10kV/ 355kW，設計選用全數字高壓變頻提升機電控系統，系統采用能量回饋特性的四象限變頻器，直接驅動電動機形成電控系統。在基本不改變原來設備的基礎上，增加高壓真空開關柜1臺，高壓工頻變頻轉換柜1臺，矢量控制的高壓變頻器調速器1臺和轉子短接開關柜一臺，并進行相應的閉鎖。其中高壓開關柜采用真空斷路器對10kV高壓進線和主整流變壓器進行開、斷控制，并對高壓采用微機綜合保護裝置，具有過流、過壓、欠壓、短路等保護。定子與轉子切換柜主要作用是在不同的拖動系統切換，使用戶具有兩套完整的互備電控系統，既可使用變頻器拖動，也可以使用原來的轉子串電阻和換向柜系統拖動。定子/轉子切換柜設置兩個雙刀雙投的隔離開關，主要對定子和轉子回路進行切換，達到不同的兩套系統互為備用的效果。

3.4 系統特性

（1）PG矢量控制方式。變頻器采用PG矢量控制方式，系統可以對勵磁電流和轉矩電流分別進行控制，穩定輸出正弦波電流。同時系統具有動態響應速度快、加（減）速度特性好等優點；（2）額定功率回饋能力。變頻器中功率單元采用PWM全控整流方式，通過控制整流側IGBT所產生的電壓與單元輸入電壓的相位差，從而控制電功率在電網與功率單元之間的流向，使變頻器最大回饋功率達到額定輸出功率，達到短時制動的要求；（3）低頻高轉矩輸出。變頻器具有對轉矩電流單獨控制的特點，使電機在低轉速下能夠輸出較大轉矩，滿足提升機對啟動轉矩的要求。此外，在絞車啟動時，盤形閘松開前變頻器能夠提供初始轉矩電流，避免礦車在斜井上松閘后溜車；（4）自動識別參數功能。變頻器可通過“空載啟動”模式進行參數辨識，檢測空載勵磁電流I0和轉子時間常數Tr，這兩個參數對于變頻器能否以最優性能運行至關重要。變頻器可通過“轉子定位”啟動模式自動辨別電機轉向，所以安裝時無需考慮編碼器及電機旋轉正方向，編碼器可根據現場情況靈活安裝在電機軸端或尾端。此外，電機轉子及定子磁極一般不可見，而絕對值式編碼器不但可以同步檢測轉子的速度，而且能通過脈沖數量準確計算出轉子磁極相對于定子磁極的相對位置，從而將同步電機轉子提前定位到同步運行狀態；（5）轉速閉環控制。變頻器速度調節器會自動調整電機速度，在電機運行過程中，轉速通過脈沖編碼器構成閉環控制。以達到最快的速度響應、最小的超調范圍；（6）很好抗干擾能力。功率單元與控制系統光纖通訊，強弱電之間完全隔離，提高了系統的抗干擾能力。

4 經濟效益分析

提升系統完成變頻調速改造以后，具有以下優點。

（1）啟動轉矩大，加減速快速平穩，全速行時速度保持度好。啟動和加減速階段基本不存在機械沖擊，延長了設備使用壽命。

（2）實現提升絞車全過程變頻控制，四象限運行，調速連續方便，使得斜坡道人行車運行更加平穩、安全。

（3）縮短了提升時間，產量高。新系統一勾的提升時間約為110s，時間效率得到提高。

（4）再生制動，能量回饋，節約電能。

（5）閘瓦磨損小，輸入輸出諧波含量極低，對電網無污染，對周邊設備無干擾，維護量小。

（6）起動及加減速時沖擊電流很小，減輕了對電網的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動強度。

5 結語

目前，國內絕大多礦井提升機電控系統還是交流串阻調速繼電器—接觸器控制，效率低下，安全隱患多，如采用變頻系統改造，則可使提升機具有類似直流電動機的優良機械特性，具有接近1的功率因數和>95%的能量轉換效率，節能效果顯著，此項技術不僅提升過程性能優良，而且使用維護簡單，設備可靠性高，整機效率比以前大大提高，是礦山提升機傳動的發展方向，推廣應用前景廣大。

參考文獻

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