基于矢量控制的提升绞车电控系统高压变频改造

王晓艳

摘 要：提升绞车是矿山生产的关键设备，运行特性复杂，速度快，惯性大，其电控系统的技术性能和可靠性直接影响矿山的安全生产，一旦提升过程失去控制，或者未能按照给定速度运行，就可能发生超速、过卷等重大安全事故，造成设备损坏甚至人员伤亡，给企业带来重大损失。该文阐述了铅硐山矿斜井绞车串电阻调速方式的固有缺陷和存在问题，介绍了基于矢量控制的高压变频器在该矿改造中的应用情况，实践证明该系统运行稳定、安全可靠、节能效果显著。

关键词：高压变频器 电控系统 调速 效果

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0038-01

1 系统现状及存在的问题

陕西铅硐山矿业有限公司3#斜井长度650m，井巷倾斜坡度25°，绞车采用10kV/355kW电动机驱动的串电阻调速系统，通过交流接触器切除电阻达到调速目的。这样的调速方式能耗高、调速性能差、脉动大、不稳定、有冲击、维护费用高。尤其该调速系统在长期的运行过程中，存在人行车运行时速度主要靠人员操作闸瓦控制，运行忽快忽慢不平稳；重负荷提升时电动机启动电流过大偶尔造成过流跳闸；井口自动摘钩时，由于制动不稳定容易发生矿车“掉道”或“不脱钩”等现象，对斜井提升的安全性有很大影响。

2 电控系统发展现状

提升机的电气传动系统经历了多种控制方式阶段。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，目前电控系统的发展方向是将变频调速技术应用于矿井提升机。变频器的调速控制电路简单，技术成熟，可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，克服了接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生率，而且具有十分明显的节能效果。尤其该调速系统已在国内外提升机上得到了广泛应用。

3 变频改造

为了保证绞车工作的可靠性和连续性，在保留原转子串电阻调速系统的基础上，增加高压变频电控系统。改造时，充分考虑系统工作的可靠性、安全性和可操作性。以变频系统为主，转子串电阻调速系统作为后备，原系统的监控保护功能采用双PLC实现，使变频保护与电阻调速系统成双重保护，确保生产不受影响。

3.1 设备选型

通过对目前变频器调速技术的实际考察和对比论证，最终选用了北京合康亿盛变频科技股份有限公司生产的基于矢量控制的高压变频器调速系统：型号IVERT-YVF10/048。

3.2 矢量控制概念

矢量控制简称VC，基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。矢量控制变频器不仅在调速范围上可以与直流电动机相媲美，而且可以直接控制异步电动机转矩的变化，是一中理想的调速方法，所以在许多精密或快速控制的领域得到应用。

3.3 电控系统构成

考虑到电源电压10kV，电动机10kV/ 355kW，设计选用全数字高压变频提升机电控系统，系统采用能量回馈特性的四象限变频器，直接驱动电动机形成电控系统。在基本不改变原来设备的基础上，增加高压真空开关柜1台，高压工频变频转换柜1台，矢量控制的高压变频器调速器1台和转子短接开关柜一台，并进行相应的闭锁。其中高压开关柜采用真空断路器对10kV高压进线和主整流变压器进行开、断控制，并对高压采用微机综合保护装置，具有过流、过压、欠压、短路等保护。定子与转子切换柜主要作用是在不同的拖动系统切换，使用户具有两套完整的互备电控系统，既可使用变频器拖动，也可以使用原来的转子串电阻和换向柜系统拖动。定子/转子切换柜设置两个双刀双投的隔离开关，主要对定子和转子回路进行切换，达到不同的两套系统互为备用的效果。

3.4 系统特性

（1）PG矢量控制方式。变频器采用PG矢量控制方式，系统可以对励磁电流和转矩电流分别进行控制，稳定输出正弦波电流。同时系统具有动态响应速度快、加（减）速度特性好等优点；（2）额定功率回馈能力。变频器中功率单元采用PWM全控整流方式，通过控制整流侧IGBT所产生的电压与单元输入电压的相位差，从而控制电功率在电网与功率单元之间的流向，使变频器最大回馈功率达到额定输出功率，达到短时制动的要求；（3）低频高转矩输出。变频器具有对转矩电流单独控制的特点，使电机在低转速下能够输出较大转矩，满足提升机对启动转矩的要求。此外，在绞车启动时，盘形闸松开前变频器能够提供初始转矩电流，避免矿车在斜井上松闸后溜车；（4）自动识别参数功能。变频器可通过“空载启动”模式进行参数辨识，检测空载励磁电流I0和转子时间常数Tr，这两个参数对于变频器能否以最优性能运行至关重要。变频器可通过“转子定位”启动模式自动辨别电机转向，所以安装时无需考虑编码器及电机旋转正方向，编码器可根据现场情况灵活安装在电机轴端或尾端。此外，电机转子及定子磁极一般不可见，而绝对值式编码器不但可以同步检测转子的速度，而且能通过脉冲数量准确计算出转子磁极相对于定子磁极的相对位置，从而将同步电机转子提前定位到同步运行状态；（5）转速闭环控制。变频器速度调节器会自动调整电机速度，在电机运行过程中，转速通过脉冲编码器构成闭环控制。以达到最快的速度响应、最小的超调范围；（6）很好抗干扰能力。功率单元与控制系统光纤通讯，强弱电之间完全隔离，提高了系统的抗干扰能力。

4 经济效益分析

提升系统完成变频调速改造以后，具有以下优点。

（1）启动转矩大，加减速快速平稳，全速行时速度保持度好。启动和加减速阶段基本不存在机械冲击，延长了设备使用寿命。

（2）实现提升绞车全过程变频控制，四象限运行，调速连续方便，使得斜坡道人行车运行更加平稳、安全。

（3）缩短了提升时间，产量高。新系统一勾的提升时间约为110s，时间效率得到提高。

（4）再生制动，能量回馈，节约电能。

（5）闸瓦磨损小，输入输出谐波含量极低，对电网无污染，对周边设备无干扰，维护量小。

（6）起动及加减速时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作、降低了工人的劳动强度。

5 结语

目前，国内绝大多矿井提升机电控系统还是交流串阻调速继电器—接触器控制，效率低下，安全隐患多，如采用变频系统改造，则可使提升机具有类似直流电动机的优良机械特性，具有接近1的功率因数和>95%的能量转换效率，节能效果显著，此项技术不仅提升过程性能优良，而且使用维护简单，设备可靠性高，整机效率比以前大大提高，是矿山提升机传动的发展方向，推广应用前景广大。

参考文献

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