丹佛斯變頻器FC301P200在礦井提升機上的應用

吳靜,陳國杰,胡潔微

(1.遼寧工業大學 電氣工程學院,遼寧 錦州 121001;2.防化指揮工程學院,北京 102205)

目前我國礦井提升設備中大量普遍沿用傳統的在繞線型異步電機轉子回路中接入金屬電阻,用接觸器切除電阻的方法進行調速,這種調速方式為有級調速。在不同速度換擋切換過程中,調速特性為跳躍式變化,速度不連續,造成調速性能不好,對整個系統產生較大沖擊,如纏繩不穩、沖擊減速器等,尤其電機運行在再生制動區域時所產生的大量能量都迫不得已地消耗在轉子電阻上,造成能源極大浪費,因此對礦井提升機的技術改造要求迫在眉睫。近幾年來,隨著我國自動化技術水平不斷提高,變頻器在各行各業得到廣泛應用,變頻器應用于礦井提升也日益增多,成功實現大功率交流電動機的無級平滑調速,在運行過程中根據電機的負載情況使電機始終處于最佳運行狀態,在整個調速范圍內均有很高的效率,節能效果非常顯著。目前應用于礦井提升中的變頻器生產廠家有丹佛斯、西門子、ABB、安川等,本案例選用的是丹佛斯FC301系列變頻器的P200。

1 礦井提升機的傳動特點

礦井提升機機械傳動結構普遍形式如圖1所示。基本原理是將礦井提升機安裝在井口的適當位置,井下的人員或采好的礦物通過提升機滾筒上的鋼絲繩連接礦車提升到井上,井上的人員或貨物通過人車用提升機下放到井下。

圖1 礦井提升機機械傳動結構圖Fig.1 The structure figure of mechanical transmission of mine hoist

礦井提升機的電機多數時間工作在電動狀態,只有運送人員或下放設備等重物時才可能出現發電狀態,此時可通過直流母線上并聯一小容量的制動電阻即可以解決能量消耗的問題。從機械傳動設計、提升機的安全運行等來考慮,需要著重注意以下幾個問題:1)提升機系統制動抱閘合理的打開、關閉的時序控制,做到確保系統絕對安全可靠,不溜車,不沖擊;2)提升機的多段速運行;3)提升機的啟動、加減速、爬行、停止的平滑運行;4)提升機的電機要能4象限運行,發電狀態時產生的能量要迅速耗散掉或回饋電網。

2 變頻器FC301P200的應用特點

丹佛斯變頻器FC300系列變頻器有卓越的轉矩控制、精確的速度調節性能,穩定的產品特性和優異的品質保證。丹佛斯FC300系列變頻器內部有如下兩種抱閘邏輯控制:第1種是通過檢測抱閘打開前旋轉磁場的速度是否達到設定的速度來控制抱閘打開,通過檢測電機停止前的速度來控制抱閘制動閉合的時間,這種方式是通過速度控制來估算電流值,借以控制啟動、停止的轉矩。該控制原理簡單,便于理解適用于開緩和一般的閉環控制場合;第2種適用于電機對啟動轉矩要求高,要求點動的頻繁控制。該方式通過直接檢測電機的啟動轉矩來控制抱閘打開時間,同時還具有零速負載保持的功能。只有當停止時間超過一規定值后才閉合抱閘,如果在抱閘前再啟動開機信號,將直接開始新一輪的啟動過程,這樣有利于點動或頻繁啟停下減少閘瓦的磨損,做到迅速的啟停。這種方式只能工作在磁通矢量閉環的控制模式下,是一種直接高效的控制方式。

丹佛斯變頻器FC300系列對提升機多速段的運行有3個數字輸入端子可以選擇,可以預設最多8種不同的速度,數組選擇對應3個端子電平組成的二進制數。為了達到平滑的啟停和加減速特性,丹佛斯變頻器FC300系列有2種加減速方式可以選擇:一是線性加減速,運行時間短但對運送的物體平穩性、人員乘坐的舒適性都有一定的影響;二是S曲線的加減速控制,能對應用中的晃動進行補償,將加減速過程中的晃動保持在最低水平,但此種應用相對要延長加減速時間,從而使啟動或停止時間延長。本案例中鑒于該提升機運行頻繁,功率大,采用并聯丹佛斯能量回饋單元Revcon的方案。

3 提升機控制系統組成及調試過程

提升機控制系統如圖2所示,提升機的控制系統由西門子S7-200系列的CPU224XP做上位控制。變頻器需要閉環運行選配了丹佛斯的編碼器適配卡MCB102,用于連接來自電機的編碼器速度反饋信號,使變頻器能夠做到精確的速度和轉矩控制。主控操作臺集成了除去速度、位置、壓力、溫度、電流電壓等信號采集傳感器和執行終端設備以外的所有控制回路。

圖2 提升機控制系統圖Fig.2 The control system of mine hoist

提升機司機可操作主控臺上的開關和按鈕控制提升機的運行,通過主控臺上的指示燈和人機界面及時了解提升機的運行狀態及運行參數。本案例選用西門子的TD400C觸摸屏,可顯示提升機的運行速度、井深及一些參數的設定。

變頻器和能量回饋單元安裝在相鄰的電控室內并集成在電控柜內。整個系統選用一臺FC301系列P200變頻器1臺,功率200 kW。提升機電機為185 kW,725 r/min。

4 結論

經過現場調試運行觀察記錄,整個提升機系統運行非常平穩,達到了設計要求。系統運行后,運行故障、停工時間大大減少,節省能源、人力,提高運輸效率,直接和間接的經濟效益非常可觀。

[1]丹佛斯公司.丹佛斯變頻器VLT AutomationDriver FC300設計指南[Z].2008.

[2]西門子公司.西門子S7-200系統手冊[Z].2002.

[3]吳堅蘭,陳秀琴,馬嵩源.ACS800變頻器在加載試驗臺控制系統中的應用[J].電氣傳動,2009,39(1):67-70.