礦井主提升機控制系統變頻改造技術難點與解決方案
冀慶亞(峰峰集團有限公司,河北邯鄲0562007)
摘 要:闡述了傳統礦井主提升機控制系統改造技術,即變頻改造過程中遇到的起動頻繁、負荷變化大并且無規律、啟動轉矩較大,全負荷啟動以及礦井井下環境差、空氣潮濕、渾濁等技術難點及相應的解決方案。同時敘述了為滿足礦井特殊需要而實施的冗余設計技術。
關鍵詞:提升機;控制系統;變頻技術;改造
中圖分類號:TD534+. 5 文獻標識碼:B 文章編號:1003-496X(2006)12-0050-04
目前峰峰集團公司乃至全國礦用提升機沿用高壓電機驅動的控制系統,普遍采用繞線電機轉子串電阻的方式調速,該系統存在以下缺點:
(1)大量的電能消耗在轉差電阻上,造成了嚴重的能源浪費,同時電阻器的安裝需要占用很大的空間。
(2)控制系統復雜,導致系統的故障率高,接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞,維護工作量很大,直接影響了生產效率。
(3)低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現速度控制,特別是在負載發生變化時,很難實現恒減速控制,導致調速不連續、速度控制性能較差。
(4)啟動和換檔沖擊電流大,造成了很大的機械沖擊,導致電機的使用壽命大大降低,而且極容易出現“掉道”現象。
(5)自動化程度不高,增加了開采成本,影響了產量。
(6)低電壓和低速段的啟動力矩小,帶負載能力差,無法實現恒轉矩提升。近幾年來,變頻器技術的發展趨于成熟以及在各個領域的成功應用,為礦用提升機控制系統的換代改造提供了契機,峰峰集團公司工程技術人員經試驗研究對公司幾部礦用提升機電控變頻器進行了改造,解決了上述問題。
1 適應絞車頻繁起停與低速大扭距起動特性與普通風機、水泵類負載相比較,提升機變頻器對力矩有非常嚴格的要求。
(1)起動力矩很大:起動力矩一般在額定力矩的1. 8倍以上。
(2)加速力矩:運行過程中,要求加速時間要短,需要提供較大的加速力矩。
(3)制動力矩:制動力矩分3種情況:第一種是在高速運行時快速減速,這時需要相應的制動力矩;第二種情況是帶重物下放;第三種情況是在停止狀態,機械抱閘未起作用這一段時間,變頻器要給相應的制動力矩以防止重物下滑溜車。
(4)低頻力矩特性。下邊將敘述為得到所需的力矩特性所采取的措
施:異步電動機其中一相等效電路如圖1所示。
圖1 異步電動機其中一相等效電路
其中 Vs———電機端電壓;
Es———電機端感應電勢,它與定子磁通相對應:ψs=∫Esdt;
Eg———在等效電路上表現為互感壓降,它與氣隙磁通相對應:ψm=∫Egdt;
Er———轉子電勢對應于轉子磁通:ψr=∫Erdt。
在Vs與頻率成正比的控制中,高頻區最大轉矩不變,為恒力矩調速。低頻時由于定子電阻Rs上壓降的影響,將使定子磁通降低,較大的影響最大輸出轉矩。因此,在低頻時一般需要施加低頻電壓補償,在低頻時,輸出電壓應高于與頻率成正比的電壓數值。
對于風機、泵類負載,轉矩隨轉速的降低而減小,起動力矩一般都小于額定轉矩,因此低頻段稍加補償即可滿足需求。提升機變頻器則不然,起動時轉矩至少要大于額定轉速運行時的轉矩與最大靜摩擦力之和,同時在低速時還要提供所需的加速力矩,因此它要求的起動力矩比穩速運行時大得多,加速過程中的力矩也比穩速運行時的力矩大得多,這就需要在低頻端施加足夠的補償,以提高起動轉矩及低速時的力矩。另一方面,提升機每次提升的負載是不同的,有時近似為空載運行。若均按最大負荷時所需力矩施加低頻補償,輕載時,電機會進入嚴重過勵磁狀態,電機銅損、鐵損加劇,時間稍長則有可能燒毀電機。
另外,提升機負載下放時,在非常低的頻率下,即進入發電運行狀態,這時,母線電壓最大將上升20%,電機勵磁電流增大,電機進入過勵磁狀態。
要使電機既有足夠的轉矩,又不進入嚴重的過勵磁狀態,低頻時的電壓補償應該是隨負載變化的,對應不同的負載有不同的補償數值。解決這一問題可以有兩種不同的思路:
(1)實測提升機的力矩確定合適的補償。提升機在每次提升過程中,負載是不變的,因而在起動后的一個短時間內,如果檢測一下此時的電機的負載轉矩,則可以確定此次提升所需的低頻補償。
電動運行時,轉矩為正,發電運行時轉矩為負,針對不同的轉矩可以對應不同的低頻補償數值,這可以通過查表得到,即預先將不同情況下所需的補償量制成表格以備查。
這種方法比較簡單,但它滿足運行需要只是近似的,而且在起動過程完成之后,即進入到完全的V/F控制運行模態,屬磁通開環控制。
(2)實測電機磁通,且使電機磁通等于給定數值,如果在運行中補償掉定子電阻Rs上的壓降,保持Es與頻率的比為定值,則運行中即保持定子磁通ψm為定值。如果進一步補償L′s上的壓降,則運行中能保證氣隙磁通ψm為定值。如果再進一步補償掉L′r上的壓降,即可保持轉子磁通為定值。保持定子磁通為定值,低頻時最大轉矩大于V/F恒定時的轉矩數值,但最大轉矩仍將隨頻率降低而減小,保持氣隙磁通恒定,則最大轉矩與頻率無關,保持轉子磁通恒定,則轉矩與轉差成正比。
實際上,三種磁通是相互聯系的,它們之間可以互相換算,知道其中一個即可知道另外兩個。
2 能量回饋四象限運行礦井提升機處于四象限運行的工況,當提升機負重下放或快速減速時,電機處于發電運行狀態,變頻器必須能夠安全處理這部分能量。由于高壓變頻器單元數量多,獨立直流電源多,無法再用耗能電阻來消耗這部分能量,只能將其回饋電網。
為實現這一功能,每個功率單元內均包括兩個逆變器,電源側是一個三相逆變器,輸出側是一個單相逆變器。當電機處于電動運行狀態時,能量從電源流向負載輸出側;當電機處于發電運行狀態時,負載輸出側的逆變器處于整流工作狀態。電源側的逆變器工作將能量饋送至電網。回饋主電路如圖2。
圖2 回饋主電路
圖中IGBT構成三相全橋逆變器,三相電感L為限流電抗,電源側的三個電容C濾除逆變器產生的高次諧波,防止高頻電流流入電網。
回饋過程的控制由
(1)幅相控制,也稱間接電流控制,原理簡述如圖3。
圖3 單相簡化電路
Ea、Eb與電感壓降EL向量圖如圖4。
圖4 電動勢量圖
若要求回饋電流與電壓反相(此時效率最高),這時應用有Ea=Eb·cosα EL=Eb·sinα。由于電抗要求安裝在單元之內,體積必須盡量小,因此限流電感的電感量甚小,EL比Eb小得多,即EL Ea,此時角α甚小,可近似認為tgα=sinα=α,P=32ωlEaEbα。
當回饋能量與電機發電提供能量相一致時達到平衡,此時母線電壓保持穩定。
如果要使回饋電流始終與電源電壓反相,則應同時調整角度α與幅度En滿足Eb≈Eacosα調整Eb由改變調制度實現。
實際上,當α很小時,Eb≈Ea影響回饋功率的主要因素是α角,因此,在母線幅度變化不大的條件下,可以僅調整α角以改變回饋功率。詳細分析可知,這種方法回饋能量在α小于45°范圍內隨α單調上升,因而穩定工作范圍,限制在α小于45°,在α較大時,上述α甚小,給出的結論不成立。
這種方法控制較簡單,系統易穩定。由于沒有電流閉環,回饋波形較差。另外,α角容差較小,若有較大誤差,則產生較大的電流尖峰諧波。
如果要改善回饋電流波形,則應增加電流閉環,此時則形成直接電流控制。
(2)直接電流控制。直接電流控制可有多種方法實現,最常見的是滯環電流控制。這種方法是將實測回饋電流與參考電流相比較,將比較的差經運算直接控制PWM信號的占空比,以調整回饋電流,在不斷的調整過程中,使實測回饋電流跟蹤參考電流,與參考電流之間的誤差控制在一個允許的范圍之內。
某一相的參考電流是將該相電源電壓乘一個合適的系數得到的,因而回饋電流跟蹤電源電壓。這樣可以得到正弦度較好,且與電源無相位差的回饋信號。因此,直接電流控制可同時保持母線電壓恒定且回饋電流波形質量較好,具有較好的性能。
另一方面,正因為它是一個雙閉環系統,整個系統實際是一個多極點反饋系統,若參數選擇不合理,則可能出現不穩定,尤其是在回饋能量大幅度突變時,有可能進入失控狀態。因此,這一控制方式又應有其保證穩定工作的措施。
另外,這種控制方式必須同時檢測三相電壓、三相電流及直流母線,因此整個系統構成較復雜。
(3)關于同步信號。無論采用何種控制方式,要保證回饋正常進行,都必須隨時檢測三相輸入電壓的相位,而輸入為三相無零線系統,這就是說電流回饋電路中必須準確的檢測三相無零線系統中各相電壓的相位。這一單運算可由運放直接完成。
3 適應井下惡劣環境
井下潮濕度大,這對變頻器的絕緣、器件的抗腐蝕性都提出了更高的要求,為了使電控能適應5 700~6 800 V的電壓波動范圍,適應潮濕度100%腐蝕性強的井下霧氣環境。因此我們采用了耐壓高的絕緣材料并刷涂絕緣清漆,對所有器件噴刷絕緣清漆增強防潮性。經過實地對電壓變化狀況的考察,發現電壓最低時為5 700 V左右,最高在6 800 V左右,多數情況是在6 400左右。于是,決定采用改變移相變壓器變比的方法(將原來的初級電壓6 000V提升為6 400V)來防止由于電壓波動過大造成變頻器不能穩定工作的現象發生。
4 高可靠性設計
礦井主提升機擔負著提升人員和物料的主要任務,其控制系統的安全可靠性是衡量其性能的最主要指標。其中冗余技術是設計方案的首選,設計主要采取以下措施:
4. 1 冗余技術
(1)器件冗余:對整機可靠性影響最大的器件主要是主功率器件及主回路中的電解電容,器件冗余是指在工作中,器件的電壓電流均留有足夠大的冗余,這樣器件損壞的幾率可大幅度的減小。①電壓冗余:對于6 000 V的變頻器每相串聯的功率單元為6個, 6個單元總輸出電壓為3 464 V、平均每個單元輸出電壓為577 V,為盡量降低功率單元的母線電壓,調制波中注入三次諧波,采用予畸變技術,可將母線電壓降低至不加予畸變的0. 866倍。
前邊的輸入變壓器均有一定的阻抗電壓,為在滿載時達到預定電壓,空載時均應當高出一定余量。我們要求變壓器的阻抗盡量低,要求3% ~6%。以5%計算,每個單元標準輸入電壓應為525 V母線電壓標準數值約742 V,采用1 700 V的IGBT工作電壓在器件額定值的1/2以下。主電路的電解電容采用了3只400 V電解電容串聯,在正常均壓情況下,每只電解電容承擔的電壓在250 V以下,亦有充足的電壓余量。
②電流冗余: IGBT的額定電流應不小于額定工作電流幅值(有效值的2倍)的三倍,功率器件有足夠的電流余量。
(2)電路冗余,每個單元中設有旁路支路,當單元故障時旁路支路導通,其余單元仍可正常工作。
4. 2 合理的吸收電路盡可能減少IGBT的電壓及電流應力。IGBT開關過程中,產生很高的di/dt與dV/dt,提升機變頻器又工作在頻繁起動的工況下,起動時又存在大的電流沖擊,這對功率器件的壽命會有較大影響,為盡量減少這一影響,應采取合適的吸收電路,盡可能減少di/dt與dV/dt,的數值,也即是盡可能使開關軟化,以減少功率器件的電壓、電流應力。
4. 3 低溫升設計
功率器件、電解電容使用壽命和工作溫度密切相關,一般給出
普通變頻器設計溫升小于
4. 4 抗干擾性能力
要保證整機高可靠性運行,應最大限度的提高整機抗干擾性能,這一方面我們還有許多工作要做,抗干擾性能還沒有處理到理想程度,這將是以后要下力氣做的一個方面。提高抗干擾性能,我們主要從以下方面著手:
(1)結構設計:做好屏蔽、接地隔離等措施。
(2)工藝設計:排板、布線等盡可能合理。
(3)電源設計:即整機控制電源應進行良好凈化,盡可能去除從電源引入的干擾。
(4)電路設計:硬件電路本身應具有良好的抗干擾措施。
(5)軟件設計:考慮抗干擾能力。
(6)外部接口的設置:要充分考慮避免從外部接口引入的干擾。
抗干擾能力處理好壞,對整機可靠性的影響極大,這一性能主要依靠合理的結構及工藝設計來保證。
以上是我們在集團公司礦用提升機控制系統變頻器技術改造中的一些具體做法。通過運行礦用提升機控制系統高壓變頻器技術改造,能夠適應電壓波動范圍大,潮濕度高,腐蝕性強,巷道破壞嚴重,環境惡劣的條件。能夠在負荷變化無規律的采區軌道坡上實現四象限運行;能夠滿足提升機頻繁啟動的客觀要求。通過運行提升機的電控參數正常、系統穩定、故障率低、運行安全、可靠、高效,實踐證明技術研究是成功的。
由于現場情況是變化萬千的,我們工程技術人員要結合現場情況反復研究,根據具體問題,采取更加高效、簡單、適用的技術手段實現礦用提升機控制系統的合理、科學的技術改造。
作者簡介:冀慶亞(1968-),男, 1995年畢業于焦作工學院,工程師,曾任礦井機電科技術員、科長,現在峰峰集團責任有限公司煤炭生產部機械科工作,集團公司專業技術拔尖人才,長期從事煤礦機電技術管理工作,曾發表《雷電事故及其防范措施》等多篇論文。
