【电抗器作用】电抗器与制动电阻用于提升机变频系统

      一、摘　要：提出了通过电抗器与制动电阻与变频器来控制矿山竖井提升机的一种方案，详细介绍了提升设备的基本构造及电抗器与制动电阻与变频器控制的矿山竖井提升机系统，并对竖井提升机变频控制系统的功能做了探讨。通过井道开关的设置使系统在运行上更安全、可靠，进一步提高了矿山竖井的工作效率。

      二、关键词：变频器；电抗器；制动电阻；制动电阻柜；提升机；变频系统

      目前我国矿井提升机交流电控设备仍大量沿用传统的在绕线型异步电机转子回路中接入金属制动电阻，用控制器或磁力站切除制动电阻进行调速的方法，这种调速方式为有级调速。在不同速度切换的过程中，调速特性为跳跃式变化，不仅调速性能不好，并且对系统会产生较大的冲击，对机械设备特别是减速器十分不利。另外，当运行在再生制动区域时，电机所产生的大量能量只能消耗在转子电阻上，对能源而言是极大的浪费。近年来，随着我国自动化技术的提高，变频器在各行各业得到了广泛的应用，变频器用于矿井提升机负载也日益增多，本文探讨了变频器应用于矿山竖井提升机改造的案例。

      三、配有变频器的提升机电控系统优点
　　矿井提升机是煤矿、铁矿、有色金属矿、码头等生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠运行直接关系到企业的生产状况和经济效益。目前，大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升及竖井提升机，普遍采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器—交流接触器控制。这种控制由于接触器动作频繁，交流接触器主触头易老化，从而引发设备故障。另外，提升机在减速和爬行段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确。提升机频繁地起动、调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生相当大的功耗。由于是有极调速，起动和调速换档时电流冲击大，能耗高、振动大、安全性差，同时给机械部分造成的磨损大，设备维护量也大。随着技术的进步和成本的降低，采用变频器系统来实现全频率（０～５０Ｈｚ）范围内的恒转矩控制已经越来越多地应用到提升绞车上，其显著的优点如下。
　　
　　１、安全。专用于起重提升控制的变频器解决了起动力矩与开闸的顺序控制，只要电机起动力矩不足，制动闸瓦就无法打开，这样就从根本上保证了系统的安全。
　　
      2、节能。绕线式电机转子串电阻调速，制动电阻消耗大量的转差功率，速度越低消耗的转差功率越大。变频调速是一种不耗能的高效的调速方式：提升机大部分时间都处在电动状态，节能显著，经测算节能２５％以上，运行时间越长节电越多，能有效降低运行成本，提高经济效益。
　　
　　3、维护少。变频器的无极变速使得整个绞车运行平稳，显著减少机械冲击与磨损，齿轮、制动盘、闸瓦、钢丝绳、减速箱、连轴器等使用寿命显著延长，减少了维护人员的工作量，降低了维护成本，节省了人力物力，提高了运煤能力，间接的经济效益可观。
　　
　　4、易操作。提升机操作人员在开提升机时操作简便，发生误动作的概率小。而常规系统的开车过程中，要严格配合制动手柄和换档手柄的操作，提升、下放的操作顺序不一样，容易造成飞车或急起、急停的状况，跳轨、掉道、弹绳等事件偶有发生，有可能酿成大的事故，给安全生产带来很大的挑战。特别是在负荷不同的情况下，起步停车减速段要次次达到慢起、慢停、准确停车很不容易！而使用变频器后，相应的操作变得很简单。因此，使用变频器能降低提升机操作人员的操作难度，也降低了事故的发生机率。从安全的角度也是非常有利的。
　　
      5、低干扰，低噪音，低冲击，对电网其他设备影响小。
      6、自动变速。可以设置多段速度，保证了在多段变坡点的平稳运行。
　　总之，使用变频器系统在提升机提升下放过程中，在安全、节能、维护、使用等方面都将得到极大的提高。
　　
　　四、变频器的选型
　　本系统所采用的三相异步电动机的额定功率为１１０ｋＷ，额定转速为９６０ｒ／ｍｉｎ，额定电流为２５９Ａ，工频５０Ｈｚ，根据功率原则以及与ＰＬＣ型号的匹配，采用西门子矢量型ＭｉｃｒｏＭａｓｔｅｒ４４０变频器， 其型号为６ＳＥ６４４０－２ＵＤ４２－０ＧＢ１。电动机在运行过程中，过载时的最大输出电流可以按下式计算：Ｉｍ＝ｋＩｅ，式中，Ｉｍ为过载时的最大输出电流；Ｉｅ为电动机的额定电流；ｋ为过载系数。根据本系统的要求，过载系数取１４，则电机过载时的最大输出电流Ｉｍ＝３６２６Ａ。对于６ＳＥ６４４０－２ＵＤ４２－０ＧＢ１的变频器，其输出功率为２００ｋＷ，额定输出电流为３２０Ａ，５７ｓ过载电流（最大输出电流）为额定输出的１５倍，但在实际中根据变频器要满足的条件，可取过载系数为１３６％，可得Ｉｍ＝３２０×１３６＝４３５２Ａ＞３６２６Ａ，因此满足负载的过载要求。
　　
　　在对变频器ＭｉｃｒｏＭａｓｔｅｒ４４０进行通信控制时，需要对变频器的参数进行设置，主要对表１所示的几个参数进行调整（见表１）。

      ２、司机操作台（Ｐ１）的主要功能
      司机操作台上装有与运行相关的重要参数的仪表，为在系统发生故障或其它需要时进行必要的控制提供运行参数。司机操作台配有彩色液晶触摸屏，具有友好的人机界面，采用多级多层可切换式操作菜单，显示直观，操作简便。通过触摸屏可实时显示系统运行状态、工作参数，如运行电压、工作电流、提升机负荷、油温、油压、电机转速、缆车运行速度、缆车运行位置、当期行程等；可记录系统在各运行阶段内的各参数变化值，并具有系统工作参数的运行趋势分析功能；可自动判断并显示故障，包括故障装置、故障类型、故障原因、故障元件等，对故障进行声光报警，并可由专家系统给出故障处理建议，查询故障历史档案（至少可保存最近发生的４０个故障记录）；可修改ＰＬＣ内部参数设置（需有相应权限）；具有密码保护功能，可根据权限设置、修改操作员密码，不同安全等级的操作员具有不同的操作权限。配有手动操作的主令控制器，可手动调整制动力及行车速度，并配有脚踏紧急制动开关，当发生紧急情况时快速制动，防止事故发生和扩大。

      ３、ＰＬＣ控制柜（Ｐ２）的主要功能
      控制柜实现对提升机的控制、监测、保护等功能，系统除紧急保护功能外的所有控制和联锁功能均由该柜的可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）完成。ＰＬＣ采用能适应恶劣工业环境、抗干扰能力强、可靠性高的ＦＸ系列ＰＬＣ产品，其开关量和模拟量的输入输出可自由配置；采用断电保持的程序存贮器，在无后备电池时断电重新开机后也能正常工作（系统配有长效后备电池）；ＰＬＣ具有自检功能，即使自身发生故障，也可确保系统安全；有日历和标准时钟功能，能有效追溯所有事件（包括故障事件和指定的重要操作）；具备２个通讯端口（编程器端口和通用端口），可同时使用，通过通用通讯端口与彩色液晶触摸屏联接，可直观方便地显示系统运行状态、故障状态、运行参数，可显示全部开关元件的状态及各种故障、报警信息。

　　系统配有电压变送器、电流变送器、油温变送器、油压变送器、制动器闸瓦开关及测量缆车运行速度和运行位置的编码器，以将相关参数采集传送至ＰＬＣ内进行运算、处理，以便进行相应控制、保护。变送器均采用防尘、防水、防腐蚀的全密封机构，防护等级ＩＰ６６。各种机构均设有工作及紧急限位保护，以充分保证系统的安全运行。
　　
      六、变频控制柜（Ｐ３）的主要功能
      变频控制柜实现对提升机电力拖动功能，变频器运行主要由ＰＬＣ进行控制。变频采用日本安川Ｇ７系列３电平变频器，用户不用考虑更换电机，减少改造的成本，该系列变频器具有转矩限制功能、可进行矢量控制、支持四象限运行（主要用于起重设备）。安川Ｇ７系列３电平变频器特点：① 降低对电动机端子的冲击电压：不需要使用解决冲击电压的外选附件，可用于一般电机（包括绕线电机）；②降低高频漏电流：减少接地检测器的误动作；③ 降低ＥＭＩ，可使干扰滤波器小型化、简单化；④ 解决了轴承电流腐蚀问题，提高了轴承的使用寿命。控制流程如图２所示。

      七、电源及制动单元柜（Ｐ４）的主要功能
      主要用于向其他控制柜提供电源，提高电源输入端的功率因数、减少谐波和提供能耗制动功能。

      八、制动电阻柜（Ｐ５）的主要功能
      当电机处于发电状态时，用于消耗电机反馈回变频器的能量。

      九、其他外围设备的主要功能
      系统配有电压变送器、电流变送器、油温变送器、油压变送器、制动器闸瓦开关、限位开关、接近开关，提供系统运行状态、工作参数，包括运行电压、工作电流、提升机负荷、油温、油压、电机转速、缆车运行速度、缆车运行位置、当期行程等，还为系统提供提升机精确定位的控制信号。

      十、井道开关描述
      竖井的停靠位置共为６个中断，在井口和井底定位开关成对配置，一个为非接触式，另一个为接触式开关；井口和井底过卷开关成对配置，为带状锁定的安全开关；主井井口和井底减速开关成对配置，在井口配置井口位置校对开关（又称原点开关）。中间４个水平中段的上下两侧各配置１个减速开关，作为提升机的上行和下行减速。提升机的井道开关不与信号系统的井道开关共用，矿山提升系统多为半自动操作方式。井道开关的布置如图３所示。

      十一、结 语
      通过对电抗器和制动电阻构成的提升机变频系统的实验运行，其运行速度非常平稳，达到了设计要求，且具有安全、节能、维护少、易操作、低干扰、低噪音、低冲击、自动变速等优点。此系统的成功运行为变频器在矿山竖井的应用搭建了良好的平台，更有助于矿山开发的进一步发展。