变频控制技术在斜井提升机的应用

　　摘要：斜井提升隔爆兼本安智能变频调速控制装置采用智能四象限交—直—交变频器对提升电动机实行正、反向控制，实现提升电动机的起动、调速、减速和制动。

　　关键词：提升机,变频,调速,控制

　　1、概述

　　斜井提升机隔爆兼本安四象限变频调速控制装置，利用装设在隔爆箱体内的四象限交—直—交变频器对提升电机进行正、反向控制，实现提升电动机的起动、调速、减速和制动。调速范围广，调速精度高，操作方便，高效节能，安全可靠，与JKB-2系列防爆提升机、JTPB型防爆绞车配套组成智能变频调速控制系统。用于煤矿井下Ф1.2m-Ф2.5m防爆运输较车变频驱动控制。

　　2、结构原理

　　2.1 工作原理

　　交流电动机不论三相异步电动机还是三相同步电动机，它们的转速N公式为：

　　N0=60F/P (同步电动机)

　　N=N0(1-S)=60F/P(1-S) (异步电动机)

　　式中：F-频率;P-极对数;S-转差率。

　　变频器通过改变电动机定子供电频率来改变电动机的转速，以实现绞车的调速。

　　变频调速系统，从控制原理上分有标量控制和矢量控制。在标量控制中有电压/频率比控制和转差频率控制两大类。

　　◆ 电压/频率控制

　　系统的被控制量是异步电动机的定子电压U1和定子频率f1，系统使电压按一定的函数关系跟踪频率的变化，称电压/频率比控制系统。该系统控制简单，但动、静态性能均不理想。

　　◆ 转差频率控制

　　转差频率控制是采用频率(转速)闭环的控制系统，即用转差角频率Δω作为系统转矩控制的指令值。用I1=f(Δω)函数发生器来控制定子电流的激励分量不变，以保持气隙磁通恒定。该系统有近似于直流双闭环调速系统的静、动态特性，适用于系统要求较高的场合。

　　◆ 矢量控制

　　矢量控制是基于理论上认为异步电动机与直流电动机具有相同转矩产生机理，模拟直流电机的控制特点来进行交流电机的控制。现在的变频器几乎都采用无反馈矢量控制，由于变频器能根据负载电流大小和相位进行转差补偿，使电动机具有很硬的力学特性，对于多数场合已能满足要求，不需在变频器的外部设置速度反馈电路。

　　根据生产的要求，变频器的型式和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案。现将较普遍采用的交-直-交(Ac-Dc-Ac)变频器进行分析。

　　① 开环控制的通用变频器三相异步电动机变频调速系统控制框图如下：

　　该方案结构简单，可靠性高。但是，由于是开环控制方式，其调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域电压调整比较困难，不可能得到较大的调速范围和较高的调速精度。

　　② 无速度传感器的矢量控制变频器异步电机变频调速系统控制框图如下：

　　以上控制框图，两者的差别仅在使用的变频器不同。该控制方式由于使用无速度传感器矢量控制的变频器，可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测、控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了矢量控制。虽说它是开环控制系统，但是大大提升了静态精度和动态品质。转速精度约等于0.5%，转速响应也较快。如果生产要求不是十分高的情形下，采用矢量变频器无传感器开环异步电机变频调速是非常合适的，可以达到控制结构简单，可靠性高的实效，它是目前交流调速的发展方向。

　　③ 带速度传感器矢量控制变频器的异步电机闭环变频调速系统控制框图如下：

　　交-直-交变频调速系统运行主要分为两个过程：

　　◆ 绞车电机作为电动机的过程，即正常的逆变过程。该过程主要由整流、滤波和正常逆变三大部分组成，其中正常逆变过程是其核心部分，它改变电机定子的供电频率，从而改变输出电压频率，起到调速作用。

　　◆ 绞车电机作为发电机的过程，即能量回馈过程。该过程主要由整流、回馈逆变和输出滤波三部分组成，其中回馈逆变部分是整个回馈过程的核心部分，该部分实现回馈逆变输出电压相位与电网电压相位的一致，在减速和重物下放操作时向电网回馈。

　　2.2 结构

　　斜井提升隔爆兼本安智能变频调速控制系统的主电路由充电接触器，进线电抗器，充电电阻和6组SKIP模块组成。SKIP模块组成二组三相桥式变流电路，其中一组为变频器逆变器，另一组为向电网发电反馈的逆变桥。

　　变频器的控制电路由PIB接口板，计算机控制板，内置PID模板，液晶显示和操作控制模板，RS485通讯模板和电源板组成。

　　PIB接口模板的主要功能是传递和放大由计算机控制模块输送来的触发脉冲，传递SKIP采集的输出电流。

　　计算机控制模板的作用是接收司机控制台来的提升机操作命令，例如正向运行，反向运行和速度控制电位器传送来的速度基准值产生不同频率的触发脉冲，同时根据反馈回来的电源电压、输出电压、输出电流等信号，利用软件中建立的电机数学模型，计算出相应的电机速度值，参与闭环调节控制，达到控制的目的。

　　PID模板进一步扩展了计算机控制模板的功能，它增加的功能有：温度保护功能;一路模拟输入，一路模拟输出，4个继电器输入，1个继电器输出，1个PID调节器参与闭环控制。

　　RS485通讯板提供了一个串行通讯口，便于和矿网通讯。

　　液晶显示和控制板用于就地控制变频器的操作和变频器、电机的各项参数的设置，运行方式的设置。同时显示变频器各项参数，显示变频器当前运行的各个参数，记录变频器故障跳闸的次数，原因和最后一次故障跳闸的各项参数。

　　3、主要技术性能

　　(1) 采用先进的四象限交-直-交无速度传感器矢量控制技术，实现无级调速，调速范围宽，调速精度高，变频器在低频运行时，保证100%额定力矩输出。

　　(2) 主要功率器件和计算机控制模件采用进口产品，保证高质量免维护，大大提高了绞车的安全运行水平。

　　(3) 选配数字式深度监视器，实现绞车过卷、超速、限速和减速等重要保护的双线制保护功能。

　　(4) 能实现电动→发电反馈自动转换，实现发电反馈制动，使绞车在下放重物时制动更平稳，操作更简便、更安全可靠。

　　(5) 功率因数高，能保持功率因数COSΦ>0.95

　　(6) 输入电流波形基本上为正弦波，大大减小对电网的谐波污染

　　(7) 发电反馈，节省电能，与原电阻调速系统相比，节电30%以上。

　　4、应用

　　斜井提升机隔爆兼本安四象限变频调速控制系统在水峪煤矿井下JKB-2×1.5型防爆绞车应用，该绞车滚筒直径D=2m，最大静张力F=6t，电机功率185kW, 钢丝绳型号：6×7-Ф24.5，提升速度2.5m/s，每钩提升4辆1t矿车，矿车型号：MG1.1-6A,绞车电控原来采用防爆电阻调速装置。应用后，具有特性优良、产品质量高、安全可靠、散热性能好、节能显著、占地面积小、维护量少等特点。

　　5、结语

　　斜井提升隔爆兼本安智能变频调速控制装置利用装设在隔爆箱体内的四象限交—直—交变频器对提升电机进行正、反向控制，解决了“大功率电力电子元器件SKIIP在隔爆箱体内的散热”、“提升绞车作重物下放时电动机自动向电网反馈发电”和“高次谐波对电网的干扰”等技术关键。与JKB-2系列防爆提升机、JTPB型防爆绞车配套，组成斜井提升智能变频调速控制系统。该系统调速范围广，精度高，操作方便，高效节能，是目前煤矿井下斜井提升机理想的控制系统。具有较高的推广应用价值。

　　参考文献

　　1.变频调速技术与系统应用。丁斗章编著。北京：机械工业出版社，2005.10

　　2.电机与拖动。 刘锦波、张承慧编著。清华大学出版社，2006.9.1

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