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矿井主提升机控制系统变频改造技术难点与解决方案
中国矿权网(www.mine168.com) 发布时间:2012-2-21 17:12:12

冀庆亚(峰峰集团有限公司,河北邯郸0562007)

摘 要:阐述了传统矿井主提升机控制系统改造技术,即变频改造过程中遇到的起动频繁、负荷变化大并且无规律、启动转矩较大,全负荷启动以及矿井井下环境差、空气潮湿、浑浊等技术难点及相应的解决方案。同时叙述了为满足矿井特殊需要而实施的冗余设计技术。

关键词:提升机;控制系统;变频技术;改造

中图分类号:TD534+. 5   文献标识码:B   文章编号:1003-496X(2006)12-0050-04

  目前峰峰集团公司乃至全国矿用提升机沿用高压电机驱动的控制系统,普遍采用绕线电机转子串电阻的方式调速,该系统存在以下缺点:

(1)大量的电能消耗在转差电阻上,造成了严重的能源浪费,同时电阻器的安装需要占用很大的空间。

(2)控制系统复杂,导致系统的故障率高,接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏,维护工作量很大,直接影响了生产效率。

(3)低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制,特别是在负载发生变化时,很难实现恒减速控制,导致调速不连续、速度控制性能较差。

(4)启动和换档冲击电流大,造成了很大的机械冲击,导致电机的使用寿命大大降低,而且极容易出现“掉道”现象。

(5)自动化程度不高,增加了开采成本,影响了产量。

(6)低电压和低速段的启动力矩小,带负载能力差,无法实现恒转矩提升。近几年来,变频器技术的发展趋于成熟以及在各个领域的成功应用,为矿用提升机控制系统的换代改造提供了契机,峰峰集团公司工程技术人员经试验研究对公司几部矿用提升机电控变频器进行了改造,解决了上述问题。

1 适应绞车频繁起停与低速大扭距起动特性与普通风机、水泵类负载相比较,提升机变频器对力矩有非常严格的要求。

(1)起动力矩很大:起动力矩一般在额定力矩的1. 8倍以上。

(2)加速力矩:运行过程中,要求加速时间要短,需要提供较大的加速力矩。

(3)制动力矩:制动力矩分3种情况:第一种是在高速运行时快速减速,这时需要相应的制动力矩;第二种情况是带重物下放;第三种情况是在停止状态,机械抱闸未起作用这一段时间,变频器要给相应的制动力矩以防止重物下滑溜车。

(4)低频力矩特性。下边将叙述为得到所需的力矩特性所采取的措

:异步电动机其中一相等效电路如图1所示。

 

1 异步电动机其中一相等效电路

其中 Vs———电机端电压;

 Es———电机端感应电势,它与定子磁通相对应:ψs=Esdt;

 Eg———在等效电路上表现为互感压降,它与气隙磁通相对应:ψm=Egdt;

 Er———转子电势对应于转子磁通:ψr=Erdt

Vs与频率成正比的控制中,高频区最大转矩不变,为恒力矩调速。低频时由于定子电阻Rs上压降的影响,将使定子磁通降低,较大的影响最大输出转矩。因此,在低频时一般需要施加低频电压补偿,在低频时,输出电压应高于与频率成正比的电压数值。

对于风机、泵类负载,转矩随转速的降低而减小,起动力矩一般都小于额定转矩,因此低频段稍加补偿即可满足需求。提升机变频器则不然,起动时转矩至少要大于额定转速运行时的转矩与最大静摩擦力之和,同时在低速时还要提供所需的加速力矩,因此它要求的起动力矩比稳速运行时大得多,加速过程中的力矩也比稳速运行时的力矩大得多,这就需要在低频端施加足够的补偿,以提高起动转矩及低速时的力矩。另一方面,提升机每次提升的负载是不同的,有时近似为空载运行。若均按最大负荷时所需力矩施加低频补偿,轻载时,电机会进入严重过励磁状态,电机铜损、铁损加剧,时间稍长则有可能烧毁电机。

另外,提升机负载下放时,在非常低的频率下,即进入发电运行状态,这时,母线电压最大将上升20%,电机励磁电流增大,电机进入过励磁状态。

要使电机既有足够的转矩,又不进入严重的过励磁状态,低频时的电压补偿应该是随负载变化的,对应不同的负载有不同的补偿数值。解决这一问题可以有两种不同的思路:

(1)实测提升机的力矩确定合适的补偿。提升机在每次提升过程中,负载是不变的,因而在起动后的一个短时间内,如果检测一下此时的电机的负载转矩,则可以确定此次提升所需的低频补偿。

电动运行时,转矩为正,发电运行时转矩为负,针对不同的转矩可以对应不同的低频补偿数值,这可以通过查表得到,即预先将不同情况下所需的补偿量制成表格以备查。

这种方法比较简单,但它满足运行需要只是近似的,而且在起动过程完成之后,即进入到完全的V/F控制运行模态,属磁通开环控制。

(2)实测电机磁通,且使电机磁通等于给定数值,如果在运行中补偿掉定子电阻Rs上的压降,保持Es与频率的比为定值,则运行中即保持定子磁通ψm为定值。如果进一步补偿Ls上的压降,则运行中能保证气隙磁通ψm为定值。如果再进一步补偿掉Lr上的压降,即可保持转子磁通为定值。保持定子磁通为定值,低频时最大转矩大于V/F恒定时的转矩数值,但最大转矩仍将随频率降低而减小,保持气隙磁通恒定,则最大转矩与频率无关,保持转子磁通恒定,则转矩与转差成正比。

实际上,三种磁通是相互联系的,它们之间可以互相换算,知道其中一个即可知道另外两个。

2 能量回馈四象限运行矿井提升机处于四象限运行的工况,当提升机负重下放或快速减速时,电机处于发电运行状态,变频器必须能够安全处理这部分能量。由于高压变频器单元数量多,独立直流电源多,无法再用耗能电阻来消耗这部分能量,只能将其回馈电网。

为实现这一功能,每个功率单元内均包括两个逆变器,电源侧是一个三相逆变器,输出侧是一个单相逆变器。当电机处于电动运行状态时,能量从电源流向负载输出侧;当电机处于发电运行状态时,负载输出侧的逆变器处于整流工作状态。电源侧的逆变器工作将能量馈送至电网。回馈主电路如图2

 

                  图2 回馈主电路

  图中IGBT构成三相全桥逆变器,三相电感L为限流电抗,电源侧的三个电容C滤除逆变器产生的高次谐波,防止高频电流流入电网。

回馈过程的控制由87C196MC完成,完成能量回馈,可以有不同的控制策略。

(1)幅相控制,也称间接电流控制,原理简述如图3

 

           图3 单相简化电路

EaEb与电感压降EL向量图如图4

 

                图4 电动势量图

  若要求回馈电流与电压反相(此时效率最高),这时应用有Ea=Eb·cosα EL=Eb·sinα。由于电抗要求安装在单元之内,体积必须尽量小,因此限流电感的电感量甚小,ELEb小得多,EL Ea,此时角α甚小,可近似认为tgα=sinα=α,P=32ωlEaEbα。

当回馈能量与电机发电提供能量相一致时达到平衡,此时母线电压保持稳定。

如果要使回馈电流始终与电源电压反相,则应同时调整角度α与幅度En满足EbEacosα调整Eb由改变调制度实现。

实际上,当α很小时,EbEa影响回馈功率的主要因素是α角,因此,在母线幅度变化不大的条件下,可以仅调整α角以改变回馈功率。详细分析可知,这种方法回馈能量在α小于45°范围内随α单调上升,因而稳定工作范围,限制在α小于45°,在α较大时,上述α甚小,给出的结论不成立。

这种方法控制较简单,系统易稳定。由于没有电流闭环,回馈波形较差。另外,α角容差较小,若有较大误差,则产生较大的电流尖峰谐波。

如果要改善回馈电流波形,则应增加电流闭环,此时则形成直接电流控制。

(2)直接电流控制。直接电流控制可有多种方法实现,最常见的是滞环电流控制。这种方法是将实测回馈电流与参考电流相比较,将比较的差经运算直接控制PWM信号的占空比,以调整回馈电流,在不断的调整过程中,使实测回馈电流跟踪参考电流,与参考电流之间的误差控制在一个允许的范围之内。

某一相的参考电流是将该相电源电压乘一个合适的系数得到的,因而回馈电流跟踪电源电压。这样可以得到正弦度较好,且与电源无相位差的回馈信号。因此,直接电流控制可同时保持母线电压恒定且回馈电流波形质量较好,具有较好的性能。

另一方面,正因为它是一个双闭环系统,整个系统实际是一个多极点反馈系统,若参数选择不合理,则可能出现不稳定,尤其是在回馈能量大幅度突变时,有可能进入失控状态。因此,这一控制方式又应有其保证稳定工作的措施。

另外,这种控制方式必须同时检测三相电压、三相电流及直流母线,因此整个系统构成较复杂。

(3)关于同步信号。无论采用何种控制方式,要保证回馈正常进行,都必须随时检测三相输入电压的相位,而输入为三相无零线系统,这就是说电流回馈电路中必须准确的检测三相无零线系统中各相电压的相位。这一单运算可由运放直接完成。

3 适应井下恶劣环境

井下潮湿度大,这对变频器的绝缘、器件的抗腐蚀性都提出了更高的要求,为了使电控能适应5 700~6 800 V的电压波动范围,适应潮湿度100%腐蚀性强的井下雾气环境。因此我们采用了耐压高的绝缘材料并刷涂绝缘清漆,对所有器件喷刷绝缘清漆增强防潮性。经过实地对电压变化状况的考察,发现电压最低时为5 700 V左右,最高在6 800 V左右,多数情况是在6 400左右。于是,决定采用改变移相变压器变比的方法(将原来的初级电压6 000V提升为6 400V)来防止由于电压波动过大造成变频器不能稳定工作的现象发生。

4 高可靠性设计

矿井主提升机担负着提升人员和物料的主要任务,其控制系统的安全可靠性是衡量其性能的最主要指标。其中冗余技术是设计方案的首选,设计主要采取以下措施:

4. 1 冗余技术

(1)器件冗余:对整机可靠性影响最大的器件主要是主功率器件及主回路中的电解电容,器件冗余是指在工作中,器件的电压电流均留有足够大的冗余,这样器件损坏的几率可大幅度的减小。①电压冗余:对于6 000 V的变频器每相串联的功率单元为6, 6个单元总输出电压为3 464 V、平均每个单元输出电压为577 V,为尽量降低功率单元的母线电压,调制波中注入三次谐波,采用予畸变技术,可将母线电压降低至不加予畸变的0. 866倍。

前边的输入变压器均有一定的阻抗电压,为在满载时达到预定电压,空载时均应当高出一定余量。我们要求变压器的阻抗尽量低,要求3% ~6%。以5%计算,每个单元标准输入电压应为525 V母线电压标准数值约742 V,采用1 700 VIGBT工作电压在器件额定值的1/2以下。主电路的电解电容采用了3400 V电解电容串联,在正常均压情况下,每只电解电容承担的电压在250 V以下,亦有充足的电压余量。

②电流冗余: IGBT的额定电流应不小于额定工作电流幅值(有效值的2)的三倍,功率器件有足够的电流余量。

(2)电路冗余,每个单元中设有旁路支路,当单元故障时旁路支路导通,其余单元仍可正常工作。

4. 2 合理的吸收电路尽可能减少IGBT的电压及电流应力。IGBT开关过程中,产生很高的di/dtdV/dt,提升机变频器又工作在频繁起动的工况下,起动时又存在大的电流冲击,这对功率器件的寿命会有较大影响,为尽量减少这一影响,应采取合适的吸收电路,尽可能减少di/dtdV/dt,的数值,也即是尽可能使开关软化,以减少功率器件的电压、电流应力。

4. 3 低温升设计

功率器件、电解电容使用寿命和工作温度密切相关,一般给出80时的工作寿命,温度每升高10寿命约降低一半,每下降10寿命增加一倍。这样,尽可能地降低整机温升,将会大幅度提高整机可靠性。

普通变频器设计温升小于30,以最高环境温度40计算,机内最高温度约为70,而高压提升机变频器设计温升在15以下,主要器件的寿命将成倍增加,可靠性也将大幅度提高。

4. 4 抗干扰性能力

要保证整机高可靠性运行,应最大限度的提高整机抗干扰性能,这一方面我们还有许多工作要做,抗干扰性能还没有处理到理想程度,这将是以后要下力气做的一个方面。提高抗干扰性能,我们主要从以下方面着手:

(1)结构设计:做好屏蔽、接地隔离等措施。

(2)工艺设计:排板、布线等尽可能合理。

(3)电源设计:即整机控制电源应进行良好净化,尽可能去除从电源引入的干扰。

(4)电路设计:硬件电路本身应具有良好的抗干扰措施。

(5)软件设计:考虑抗干扰能力。

(6)外部接口的设置:要充分考虑避免从外部接口引入的干扰。

抗干扰能力处理好坏,对整机可靠性的影响极大,这一性能主要依靠合理的结构及工艺设计来保证。

以上是我们在集团公司矿用提升机控制系统变频器技术改造中的一些具体做法。通过运行矿用提升机控制系统高压变频器技术改造,能够适应电压波动范围大,潮湿度高,腐蚀性强,巷道破坏严重,环境恶劣的条件。能够在负荷变化无规律的采区轨道坡上实现四象限运行;能够满足提升机频繁启动的客观要求。通过运行提升机的电控参数正常、系统稳定、故障率低、运行安全、可靠、高效,实践证明技术研究是成功的。

由于现场情况是变化万千的,我们工程技术人员要结合现场情况反复研究,根据具体问题,采取更加高效、简单、适用的技术手段实现矿用提升机控制系统的合理、科学的技术改造。

  作者简介:冀庆亚(1968-),, 1995年毕业于焦作工学院,工程师,曾任矿井机电科技术员、科长,现在峰峰集团责任有限公司煤炭生产部机械科工作,集团公司专业技术拔尖人才,长期从事煤矿机电技术管理工作,曾发表《雷电事故及其防范措施》等多篇论文。

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