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原副井提升機(jī)系統(tǒng)采用交流電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，JD-BP37-280T型（280KW/6KV）高壓提升機(jī)變頻器，對副井提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)改造。交流電動機(jī)，是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種機(jī)器。交流電動機(jī)主要由一個用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子組成。電動機(jī)利用通電線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象而制成的。交流電動機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，并且定子和轉(zhuǎn)子是采用同一電源，所以定子和轉(zhuǎn)子中電流的方向變化總是同步的，即線圈中的電流方向變了，同時電磁鐵中的電流方向也變，根據(jù)左手定則，線圈所受磁力方向不變，線圈能繼續(xù)轉(zhuǎn)下去。交流發(fā)動機(jī)就是利用這個原理而工作的。

 

 

 

1.1.1 礦用提升機(jī)

 

 

1.1.2 減速器

 

 

1.1.3 三相異步電動機(jī)

 

 

 

在加速過程中，交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4逐級吸合，轉(zhuǎn)子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。如果要求電動機(jī)低速運行，則需在轉(zhuǎn)子回路串較大電阻。為了解決減速段的負(fù)力要求，通常采用動力制動方案，即將定子側(cè)的高壓電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施加低頻電源，讓電動機(jī)工作在發(fā)電伏態(tài)。交流接觸器是廣泛用作電力的開斷和控制電路。它利用主接點來開閉電路，用輔助接點來執(zhí)行控制指令。主接點一般只有常開接點，而輔助接點常有兩對具有常開和常閉功能的接點，小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。交流接觸器的接點，由銀鎢合金制成，具有良好的導(dǎo)電性和耐高溫?zé)g性。當(dāng)線圈通電時，靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力，將動鐵芯吸合，由于觸頭系統(tǒng)是與動鐵芯聯(lián)動的，因此動鐵芯帶動三條動觸片同時運行，觸點閉合，從而接通電源。當(dāng)線圈斷電時，吸力消失，動鐵芯聯(lián)動部分依靠彈簧的反作用力而分離，使主觸頭斷開，切斷電源。

 

這種拖動方案存在的問題是：

 

（1）開環(huán)有級調(diào)速，加速度難以準(zhǔn)確控制，調(diào)速精度差；

 

（2）觸點控制，大量使用大容量開關(guān)，系統(tǒng)維護(hù)工作量大，可靠性差；

 

（3）運行效率低，在低速時大部分功率都消耗在電阻上；

 

（4）電機(jī)的機(jī)械特性偏軟，一般電阻上消耗的功率約為電動機(jī)輸出功率的20%—30%；

 

（5）接觸器經(jīng)常吸合與斷開，噪音比較大。雖然這種調(diào)速方案控制方式簡單、初期設(shè)備投資較低，但技術(shù)性能和運行效率低，許多中小礦井的提升機(jī)仍采用該種調(diào)速方案。

 

圖1：轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)
 

 

 

JD-BP37系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6KV系列有18個功率單元，每6個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。

 

 

圖2：功率單元電路

 

每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其主電路結(jié)構(gòu)有圖2所示，為基本的交-直-交雙向逆變電路。圖中通過整流橋進(jìn)行三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓，通過對逆變塊B中的IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制實現(xiàn)單相逆變。當(dāng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，逆變塊B中的二極管完成續(xù)流外，又起全波整流，使能量能夠轉(zhuǎn)移到濾波電容中，結(jié)果母線電壓升高，達(dá)到一定程度后，啟動逆變塊A，進(jìn)行SPWM逆變，通過輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過變壓器將能量回饋到電網(wǎng)。SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

 

 

本機(jī)中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成36脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低。實測在90%-105%額定輸入電壓額定電流下，輸入電流總相對諧波含量小于4%.

 

另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。

 

 

輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過對每個單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖3所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。

 

圖3：變頻器輸出的線電壓階梯PWM波形
 

 

控制器是按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來控制電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動和反向的主令裝置。控制器是整個CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR（InstructionRegister）、程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）和操作控制器0C（OperationController）三個部件組成，對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作極為重要。

 

控制器核心由高速32位數(shù)字信號處理器（DSP）運算來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運行性能。人機(jī)界面提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。內(nèi)置PLC控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊需要，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

 

數(shù)字信號處理器（DSP）相對于模擬信號處理有很大的優(yōu)越性，表現(xiàn)在精度高、靈活性大、可靠性好、易于集成、易于存儲等方面。傳數(shù)字信號處理是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。高性能DSP不僅處理速度快，而且可以無間斷的完成數(shù)據(jù)的實時輸入與輸出。DSP結(jié)構(gòu)相對單一，普遍采用匯編編程，其處理完成時間的可預(yù)測性要比結(jié)構(gòu)和指令復(fù)雜、依賴于編譯系統(tǒng)的普通微處理器強(qiáng)的多。

 

另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場培訓(xùn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

 

 

控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設(shè)備各點的波形與加高壓情況基本相似，給整機(jī)可靠性、調(diào)試、培訓(xùn)帶來了很大方便。

 

系統(tǒng)采用三次諧波補(bǔ)償技術(shù)提高了電源電壓利用率，利用了調(diào)制信號預(yù)畸變技術(shù)，使電壓利用率近似于1.系統(tǒng)還采用了先進(jìn)的載波移相技術(shù)，它的特點是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯(lián)后的總輸出波形失真特別小。多個單元迭加后的理論輸出波形如圖4所示（圖中是六單元疊加）。

 

圖4：6個單元輸出疊加后的波形

2.7 基本控制功能及特點

 

2.7.1 直流制動

 

本提升機(jī)用變頻器，直流制動對提升系統(tǒng)的安全運行起到重要作用，當(dāng)重車在中間停車時，PLC檢測到停機(jī)信號后給控制器發(fā)出信號，讓提升機(jī)由高速平滑地降到低速，然后由控制器發(fā)出直流制動信號，使提升機(jī)停止，待PLC檢測到機(jī)械制動起作用的信號后，PLC發(fā)出信號讓控制器去掉直流制動信號，使提升機(jī)靠機(jī)械抱閘一類的裝置起作用。啟動時，先對提升機(jī)施加一直流制動信號，PLC檢測到機(jī)械抱閘信號后發(fā)出信號給控制器去掉直流制動信號，然后由控制器加上啟動電壓讓提升機(jī)開始轉(zhuǎn)動。

 

2.7.2 運行速度的控制

 

為了減少運行過程中的機(jī)械沖擊，在提升機(jī)啟動和停止過程中，做到加速度連續(xù)，因不同的頻率，對應(yīng)不同的加減速速率，在本裝置的控制中，將不同頻率時的加減速速率規(guī)劃成一個表格，運行中用查表的方法確定對應(yīng)頻率時的加減速速率，使提升機(jī)平滑運行，減少機(jī)械沖擊。

 

2.7.3 自動限速保護(hù)

 

在運行到終點時，由限速開關(guān)給出減速信號，PLC檢測到減速信號后發(fā)送給控制器，由控制器啟動自動減速程序，使工作頻率按設(shè)定要求逐步變?yōu)榈退龠\行。提升機(jī)帶有測速發(fā)電機(jī)，當(dāng)測速發(fā)電機(jī)給出超速信號，PLC檢測該信號發(fā)送給控制器，進(jìn)入自動減速運行。PLC主要是指數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)的可編程邏輯控制器，用于控制機(jī)械的生產(chǎn)過程。也是公共有限公司、電源線車等的名稱縮寫。可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的核心部分。

 

3.7.4 再生能量處理

 

圖5：再生能量處理示意圖

 

再生能量通過功率單元來處理，見圖5所示。電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，功率單元母線電壓Vbus升高，當(dāng)母線電壓超過電網(wǎng)電壓的1.1倍時，CPU根據(jù)比較器和相位檢測的結(jié)果輸出六路SPWM波形，使逆變塊A中的IGBT工作，通過輸入電感，電動機(jī)的再生能量最后通過移相變壓器回饋到電網(wǎng)，裝置充分利用了移相變壓器對諧波的抵消作用，具有對電網(wǎng)無諧波污染、功率因數(shù)高、控制簡單、損耗小，返回到電網(wǎng)諧波小于5%.比較器是對兩個或多個數(shù)據(jù)項進(jìn)行比較，以確定它們是否相等，或確定它們之間的大小關(guān)系及排列順序稱為比較。能夠?qū)崿F(xiàn)這種比較功能的電路或裝置稱為比較器。比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準(zhǔn)電壓相比較的電路。比較器的兩路輸入為模擬信號，輸出則為二進(jìn)制信號，當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小時，其輸出保持恒定。

 

 

 

由于副井絞車提升負(fù)載情況比較復(fù)雜，因此，在調(diào)速階段進(jìn)行了多種試驗，以檢驗變頻器的性能。

 

3.1.1爬行速度試驗

 

全程速度為0.25m/s，運行平穩(wěn)。

 

3.1.2提升常規(guī)物料試驗

 

全速提升或下放，起車加速階段、等速、減速、爬行各階段運行良好。

 

3.1.3提升人員運行試驗全速提升或下放

 

在起車加速、勻速、減速、爬行等各階段運行良好。人員在罐籠內(nèi)乘坐時，加、減速階段重力增加和失重的感覺幾乎沒有，速度控制的各個階段運行感覺較為平穩(wěn)。

3.1.4重載試驗

 

（1）上提：試驗低速爬行的拖動能力。負(fù)載在井口時上提爬行速度約為0.15m/s；下放到井底后再次上提（重物在井底又增加了168×2米鋼絲繩約1噸重），采用合適的低頻補(bǔ)償量后正常起動，爬行速度約為0.15m/s.重物上提全程運行時間由通常負(fù)載的54s增加65s，原因是低速爬行速度在重載條件下，爬行速度有所下降（由0.25m/s降為0.15m/s），造成了運行時間比常規(guī)提升重量狀態(tài)下運行時間有所增加。重物上提速度為5.77m/s（頻率為50.3Hz）；下放速度為5.88m/s（頻率為49.92Hz）。

 

（2）下放：低速爬行、加速、勻速、減速整個過程很正常，符合要求。重載提升（下放）試驗證明，變頻拖動系統(tǒng)提升力矩可滿足系統(tǒng)設(shè)計提升力矩要求。

 

 

（1）電流為雙向流動。

 

（2）抗擾性能強(qiáng)。在提升機(jī)的加、減速階段，直流電源電壓的最大動態(tài)降落或電壓超調(diào)不超過10%，擾動恢復(fù)時間不超過1秒。

 

（3）靜態(tài)功率因數(shù)穩(wěn)定，小于5%.

 

（4）交流側(cè)諧波電流小，符合IEEE519規(guī)定，小于4%.

 

（5）變頻器在啟動過程中，啟動電流小于1.3倍額定電流。