变频控制在矿井绞车改造中的应用.pdf

2 0 1 3 年第1 5 期 总 第 2 5 8 期 中 圜 高 新 携 赛 ／止＼ 业 l c “ { ．I H I T c H E N T e 9 t ‘j N O ．1 5 ．2 0 1 3 C u mu l a t iv e t y NO． 2 5 8 变频控制在矿井绞车改造中的应用 张承鹏 晋城煤业集团成庄矿 ，山西 晋城 0 4 8 0 2 1 摘要针对矿井绞车采用继电器一 接触器控制方式的缺陷，文章提 出了一种采用双P L c实现的的矿井绞车变频 改造方案 ，详细介绍了P L C 在双馈转子变频控制 系统的设计理念及其组成，分析 了该 系统实现同步控制、双重 保护的工作原理，介绍了改善系统调速性能、提高系统安全性的技术措施。 关键词矿井绞车；变频控制；变频调速 ；．KP L C 中图分类号 T D 5 3 4 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 2 3 7 4 2 0 1 3 1 5 0 0 4 8 0 2 绞车是矿山企业 的大型设备之一 ，它担负着物料运 送 、人员上下等任务 ，是矿井的 “ 咽喉要道”，在实际生 产中占据着非常关键的作用。 目前，我国多数矿井绞车采用的电控系统为异步电 机 转子串电阻加速 动力制动减速 高压接触器换向。成 庄矿副井绞车采用的就是这种电控方式。该电控方式在一 定程度上满足提升系统的运行要求，但也存在着不容忽视 的问题 ，即电机转差功率全部消耗于转子串接的电阻回路 中，而绞车在重载加速、加速的工况下运行时间较长 ，此 时转差功率相当大 ，这就造成了能源的巨大浪费；系统为 串电阻有级调速 ，切换时冲击电流大 ，设备运行平稳性 差，安全性能较低；系统发热严重，造成工作环境恶劣。 随着变频技术及P L C 技术的迅速发展 ，该系统已列入 国家强制淘汰设备 目录之内，对其进行升级改造势在必 行。本文主要对成庄矿副井绞车控制系统进行改造 ，采用 全数字式转子双馈交流绞车变频电控系统。 此方法将可能出现的变差分别用三张控制图来监控， 控制界限的设置相对比较合理。而且 ， 值 的计算既考虑 了组间变差 、组内变差，又考虑了总变差 ，用C p 、C p k 、 P p 和P p k 对过程进行评估也相对全面和科学。 3 结语 以上几种方法，由于采用不同的控制图 ， 控制界限的 计算存在一定 的差异 ；另外 ，由于标准差的计算方法不 同，过程能力的计算结果也存在着较大的差异。近十多年 中，我国的半导体企业也如雨后春笋般越来越多了，虽然 各企业所采用的S P C 管理方法所依据的统计学原理是相同 的，但所用的S P C 软件以及具体的实施方法不同，所考虑 的侧重点和评估标准也存在较大的差异。因此，在对不同 企业的相同参数的工程能力指数值进行 比较时，不能单纯 从数值 的大小来评价质量的好坏 ，而要作具体 的分析和 研究。 1 现状 成庄矿副井绞车采用2 J K 一 2 ． 5 ／ 2 0 型双筒单绳缠绕式绞 车 ，电动机为J R 1 5 7 1 0 交流绕线式异步电动机 ， 额定功率 2 6 0 k W，定子电压6 k V，定子电流3 3 A，转子电压5 0 5 V，转 子电流3 2 9 A。副井斜长5 7 2 米，倾角l 8 度 ，最大提升速度4 米， 秒。由于设备老化 、控制技术落后，现将老式系统改造 为全数字变频电控系统。该电控系统将先进的数字化 、自 动化等技术进行融合 ，采用 “ 交流电机 交直交主回路 全 数字化控制模式 双P L C 控制 故障诊断与监控”的模式。 2 双馈转子变频调速系统结构 该系统的转子变频矢量控制器是全数字式控制器 ，可 以实现速度闭环控制、转子变频矢量控制、单位功率因数 的控制、电流闭环控制 、 故障诊断等功能。 在系统主回路设计上 ，采用 “ 背靠背”式的二级管钳 位双三电平结构，电网电压定向，直接电流控制。其中， 对于I c 这个比较特殊的行业，目前尚无相关的行业标 准对S P C 的管理方法作 出明确规定 ，希望本行业的有关责 任部门尽快建立统计过程控制方面的行业标准，明确各类 参数的抽样方法、控制图的选用、控制界限的设置以及过 程能力指数的计算和评估方法。O 参考文献 【 1 】 戴姆勒克莱斯勒，福特汽车公司，通用汽车公司．统 计过程控制 S P C g - g [ M】 ．2 0 0 5 ． [ 2 ] 常规控制图 G B ／ T 4 0 9 1 ． 2 0 0 1 i d t I S O 8 2 5 8 1 9 9 1 [ S ] ． 国家质量技术监督局 ，2 0 0 1 ． [ 3 】 六西格玛核心教程黑带读本[ M】 ．北京中国标准 出 版 社 ．2 0 0 2 ． 责任编辑 黄银芳 将三电平的有源前端作为整流变压器，逆变器侧直接接至 电机的转子回路 ，在转子变频矢量调速装置的控制下驱动 绞车。二极管钳位三电平结构的功率器件电压等级仅为 日 常两电平结构的一半 ， 从而降低了电机绝缘和功率器件承 受的电压，最终减小了系统的开关损耗。同时背靠背拓扑 结构利于系统维护，系统可靠性能得到增强。在控制方式 上，把功率变换装置和电机作为一个整体 ，进一步实现高 性能调速的前提下对网侧功率因数 、网侧谐波、电机定子 侧、网侧功率因数等关键指标进行调控，满足系统运行在 较低的开关频率、较小的进线电抗下实现能量双向流动 ， 使变频器对电网无污染。 该电控系统在交流电机的转子侧引入全控功率变换单 元 ，而全控双馈系统功率变换单元是 由全控器件组成的 三电平变换器所构成的 ，系统通过控制转差功率来进行 调速 ，其中C U 1 作为系统的全控逆变单元 ，用来提供与转 子电势同频率的变频电源 ，C U 2 作为全控整流单元 ，用来 提供对网侧功率因数和谐波进行调节和补偿，同时为系统 提供稳定 的直流电压。当变换器C U 1 处于全控整流状态 ， C U 2 处于逆变状态时，转子馈出能量 ；当两个变换器工作 状态与上述相反时 ， 转子馈入能量。 ～ T 】 图1 转子侧功率变换单元 3 ’ 双P L C控制系统 为了满足矿井绞车高可靠性和高安全性 的要求 ，我 们通过建立双P L C 冗余控制系统的配置来完成绞车逻辑操 作、行程控制、液压制动控制、故障保护等。两套P L C 全 部通过P R O F I B U S 和M P I 总线进行数据传输，进一步保证重 要数据的实时性和同一性 ，为系统的数据分析提供依据和 保证。 3 ． 1 提升行程控制P L C 该部分由三个轴编码器 滚筒侧 、减速器侧 、电机 侧 、井筒开关 深度指示器上 和行程监控P L C 构成。 三台轴编码器将绞车行程位置和在线速度转换成脉冲 信号送至系统P L C 中，系统P L C 将编码器信号和系统设定的 一 些行程参数结合起来进行逻辑处理 ，自动产生绞车所需 的运行曲线，绞车按照曲线进行运行。为了尽量减少起动 和制动过程中产生的机械冲击，绞车运行速度给定信号的 加、减速段为标准的 “ s ”型曲线。同时，P L C 通过实际运 算来调节减速度保持为一个固定值 ， 进一步保证停车点的 精度。 3 ． 2 安全保护回路P L C 系统设置有P L C 与继 电器构成 的双线制安全保护 回 路 。系统将绞车的保护信号主要分为四类 井 口施闸、 立即施闸、电气制动和报警。其中直接接人到P L C 中的事 故信号为井 口施闸、电气制动和报警，P L C 将此类事故信 号通过处理后发送至监视器显示故障类型并控制声光报警 系统报警或施闸。立 即施闸类事故信号除了引至P L C 中显 示、处理外 ， 还引入到安全直动回路 ，动作抱闸系统进行 施闸。 4 应用效果 ’ 通过改造，采用变频调速系统将使不经济的工况转变 为最佳的工况运行 ，系统控制精确、运算简洁，节能效果 明显，可靠性得到很大提高。 1 变频调速系统设备运行更加平稳 ，实现速度连续 可调 ，电机温升较旧系统有明显降低，同时对系统机械冲 击也明显减小。 2 系统有明显的节能效果。投运以来，平均用电量 比副井绞车房过去一年月平均用电量减少4 8 3 0 度，全年节 电达5 7 9 6 0 度 。 3 系统运转安全可靠 ， 保护齐全 ， 故障率低 ， 且故 障判断及时准确。 4 绞车能自 动地按照系统计算的提升速度图来进行 提升，降低了绞车的操纵难度。司机无需用施闸手段控制 减速，进一步避免超速、过卷的发生。 5 结语 由实际应用效果得出，在煤矿提升系统中实现变频调 速控制 ， 不仅极大地提高了煤矿生产自动化程度 ，使绞车 系统保护完善、运行安全可靠、维护简单，而且节能效果 明显。随着煤矿现代化的发展 ， 煤矿的增产、降耗、提效 被提到了前所未有的高度 ，设备的节能改造将大范围地展 开。因此 ， “ 双线控制”式绞车变频电控系统的改造势必 将得到广泛的应用。I 盔 ， 参考文献 [ 1 ] 张贤．二极 管钳位型三电平逆变器研 究【 D】 ．华中科 技大学，2 0 0 2 ． [ 2 】 徐州中矿大与 自动化有限公司．矿井交流绞车双馈转 子 变频调速 系统的研 究与应用． 作者简介 张承鹏 1 9 8 3 -，晋城煤业集团成庄矿 机电科技术员。 责任编辑黄银芳 4 9