丹佛斯变频器FC301P200在矿井提升机上的应用

吴静,陈国杰,胡洁微

(1.辽宁工业大学 电气工程学院,辽宁 锦州 121001;2.防化指挥工程学院,北京 102205)

目前我国矿井提升设备中大量普遍沿用传统的在绕线型异步电机转子回路中接入金属电阻,用接触器切除电阻的方法进行调速,这种调速方式为有级调速。在不同速度换挡切换过程中,调速特性为跳跃式变化,速度不连续,造成调速性能不好,对整个系统产生较大冲击,如缠绳不稳、冲击减速器等,尤其电机运行在再生制动区域时所产生的大量能量都迫不得已地消耗在转子电阻上,造成能源极大浪费,因此对矿井提升机的技术改造要求迫在眉睫。近几年来,随着我国自动化技术水平不断提高,变频器在各行各业得到广泛应用,变频器应用于矿井提升也日益增多,成功实现大功率交流电动机的无级平滑调速,在运行过程中根据电机的负载情况使电机始终处于最佳运行状态,在整个调速范围内均有很高的效率,节能效果非常显著。目前应用于矿井提升中的变频器生产厂家有丹佛斯、西门子、ABB、安川等,本案例选用的是丹佛斯FC301系列变频器的P200。

1 矿井提升机的传动特点

矿井提升机机械传动结构普遍形式如图1所示。基本原理是将矿井提升机安装在井口的适当位置,井下的人员或采好的矿物通过提升机滚筒上的钢丝绳连接矿车提升到井上,井上的人员或货物通过人车用提升机下放到井下。

图1 矿井提升机机械传动结构图Fig.1 The structure figure of mechanical transmission of mine hoist

矿井提升机的电机多数时间工作在电动状态,只有运送人员或下放设备等重物时才可能出现发电状态,此时可通过直流母线上并联一小容量的制动电阻即可以解决能量消耗的问题。从机械传动设计、提升机的安全运行等来考虑,需要着重注意以下几个问题:1)提升机系统制动抱闸合理的打开、关闭的时序控制,做到确保系统绝对安全可靠,不溜车,不冲击;2)提升机的多段速运行;3)提升机的启动、加减速、爬行、停止的平滑运行;4)提升机的电机要能4象限运行,发电状态时产生的能量要迅速耗散掉或回馈电网。

2 变频器FC301P200的应用特点

丹佛斯变频器FC300系列变频器有卓越的转矩控制、精确的速度调节性能,稳定的产品特性和优异的品质保证。丹佛斯FC300系列变频器内部有如下两种抱闸逻辑控制:第1种是通过检测抱闸打开前旋转磁场的速度是否达到设定的速度来控制抱闸打开,通过检测电机停止前的速度来控制抱闸制动闭合的时间,这种方式是通过速度控制来估算电流值,借以控制启动、停止的转矩。该控制原理简单,便于理解适用于开缓和一般的闭环控制场合;第2种适用于电机对启动转矩要求高,要求点动的频繁控制。该方式通过直接检测电机的启动转矩来控制抱闸打开时间,同时还具有零速负载保持的功能。只有当停止时间超过一规定值后才闭合抱闸,如果在抱闸前再启动开机信号,将直接开始新一轮的启动过程,这样有利于点动或频繁启停下减少闸瓦的磨损,做到迅速的启停。这种方式只能工作在磁通矢量闭环的控制模式下,是一种直接高效的控制方式。

丹佛斯变频器FC300系列对提升机多速段的运行有3个数字输入端子可以选择,可以预设最多8种不同的速度,数组选择对应3个端子电平组成的二进制数。为了达到平滑的启停和加减速特性,丹佛斯变频器FC300系列有2种加减速方式可以选择:一是线性加减速,运行时间短但对运送的物体平稳性、人员乘坐的舒适性都有一定的影响;二是S曲线的加减速控制,能对应用中的晃动进行补偿,将加减速过程中的晃动保持在最低水平,但此种应用相对要延长加减速时间,从而使启动或停止时间延长。本案例中鉴于该提升机运行频繁,功率大,采用并联丹佛斯能量回馈单元Revcon的方案。

3 提升机控制系统组成及调试过程

提升机控制系统如图2所示,提升机的控制系统由西门子S7-200系列的CPU224XP做上位控制。变频器需要闭环运行选配了丹佛斯的编码器适配卡MCB102,用于连接来自电机的编码器速度反馈信号,使变频器能够做到精确的速度和转矩控制。主控操作台集成了除去速度、位置、压力、温度、电流电压等信号采集传感器和执行终端设备以外的所有控制回路。

图2 提升机控制系统图Fig.2 The control system of mine hoist

提升机司机可操作主控台上的开关和按钮控制提升机的运行,通过主控台上的指示灯和人机界面及时了解提升机的运行状态及运行参数。本案例选用西门子的TD400C触摸屏,可显示提升机的运行速度、井深及一些参数的设定。

变频器和能量回馈单元安装在相邻的电控室内并集成在电控柜内。整个系统选用一台FC301系列P200变频器1台,功率200 kW。提升机电机为185 kW,725 r/min。

4 结论

经过现场调试运行观察记录,整个提升机系统运行非常平稳,达到了设计要求。系统运行后,运行故障、停工时间大大减少,节省能源、人力,提高运输效率,直接和间接的经济效益非常可观。

[1]丹佛斯公司.丹佛斯变频器VLT AutomationDriver FC300设计指南[Z].2008.

[2]西门子公司.西门子S7-200系统手册[Z].2002.

[3]吴坚兰,陈秀琴,马嵩源.ACS800变频器在加载试验台控制系统中的应用[J].电气传动,2009,39(1):67-70.