矿井主提升机控制系统变频改造技术难点与解决方案

1、矿井主提升机控制系统变频改造技术难点与解决方案冀庆亚 (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

2、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。(

3、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

4、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 施: 异步电动机其中一相等效电路如图 1 所示。图 1 异步电动机其中一相等效电路其中 Vs电机端电压；E电机端感应电势，它与定子磁通相对应：® s=f Esdt;Eg在等效电路上表现为互感压降，它与气隙磁通相对 应:® m=f Egdt;Er转子电势对应于转子磁通：® r= j Erdt在 Vs 与频率成正比的控制中 ,高频区最大转矩

5、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换行之和,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,

6、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

7、,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®m为定值。如果进一步补偿L'上的压降，则运行中能保证气隙磁通 ®

8、m为定值。如果再进一步补偿掉L'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

9、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Ea Eb与电

10、感压降EL向量图如图4。换行图 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 - cos EL=Eb - sin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,EL比Eb小得多，即ELEa此时角a甚小, 可近似认为 tg a =sin a = a ,P=32® lEaEb a 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a与幅度En 满足EbEacos调整Eb由改变调制度实现。实际上，当a很小时,EbE影响回馈功率的主要因素是 a角，因此，在母线 幅度

11、变化不大的条件下，可以仅调整a角以改变回馈功率。详细分析可 知,这种方法回馈能量在a小于45。范围内随a单调上升,因而稳定工作 范围,限制在a小于45°,在a较大时，上述a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，a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

12、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

13、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57006800V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 570

14、0V 左右,最高在 6800V 左右,多数情况 是在 6400 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6000V提升为6400V)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 换行 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。 电压冗余

15、 :对于6000V 的变频器每相串联的功率单元为 6 个,6 个单元总输出电压为 3464V、平均每个单元输出电压为 577V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525V母线电压标准数值约742V, 采用1700V的IGBT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 3只400V电解电容串联，在正常均压情况下，每只电解电

16、容 承担的电压在250V以下，亦有充足的电压余量。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 倍)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/dt与dV/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/dt 与 dV/dt, 的数值 ,也即是尽可能使开关软化 ,以减少功率

17、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80C时的 工作寿命，温度每升高10C寿命约降低一半，每下降10C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 °C ,以最高环境温度40 C计算，机内最高温 度约为70C，而高压提升机变频器设计温升在 15C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 换行理想程度,这 将是以后要下力

18、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