【電抗器作用】電抗器與制動電阻用于提升機變頻系統

      一、摘　要：提出了通過電抗器與制動電阻與變頻器來控制礦山豎井提升機的一種方案，詳細介紹了提升設備的基本構造及電抗器與制動電阻與變頻器控制的礦山豎井提升機系統，并對豎井提升機變頻控制系統的功能做了探討。通過井道開關的設置使系統在運行上更安全、可靠，進一步提高了礦山豎井的工作效率。

      二、關鍵詞：變頻器；電抗器；制動電阻；制動電阻柜；提升機；變頻系統

      目前我國礦井提升機交流電控設備仍大量沿用傳統的在繞線型異步電機轉子回路中接入金屬制動電阻，用控制器或磁力站切除制動電阻進行調速的方法，這種調速方式為有級調速。在不同速度切換的過程中，調速特性為跳躍式變化，不僅調速性能不好，并且對系統會產生較大的沖擊，對機械設備特別是減速器十分不利。另外，當運行在再生制動區域時，電機所產生的大量能量只能消耗在轉子電阻上，對能源而言是極大的浪費。近年來，隨著我國自動化技術的提高，變頻器在各行各業得到了廣泛的應用，變頻器用于礦井提升機負載也日益增多，本文探討了變頻器應用于礦山豎井提升機改造的案例。

      三、配有變頻器的提升機電控系統優點
　　礦井提升機是煤礦、鐵礦、有色金屬礦、碼頭等生產過程中的重要設備。提升機的安全、可靠運行直接關系到企業的生產狀況和經濟效益。目前，大多數中、小型礦井采用斜井絞車提升及豎井提升機，普遍采用交流繞線式電機串電阻調速系統，電阻的投切用繼電器—交流接觸器控制。這種控制由于接觸器動作頻繁，交流接觸器主觸頭易老化，從而引發設備故障。另外，提升機在減速和爬行段的速度控制性能較差，經常會造成停車位置不準確。提升機頻繁地起動、調速和制動，在轉子外電路所串電阻上產生相當大的功耗。由于是有極調速，起動和調速換檔時電流沖擊大，能耗高、振動大、安全性差，同時給機械部分造成的磨損大，設備維護量也大。隨著技術的進步和成本的降低，采用變頻器系統來實現全頻率（０～５０Ｈｚ）范圍內的恒轉矩控制已經越來越多地應用到提升絞車上，其顯著的優點如下。
　　
　　１、安全。專用于起重提升控制的變頻器解決了起動力矩與開閘的順序控制，只要電機起動力矩不足，制動閘瓦就無法打開，這樣就從根本上保證了系統的安全。
　　
      2、節能。繞線式電機轉子串電阻調速，制動電阻消耗大量的轉差功率，速度越低消耗的轉差功率越大。變頻調速是一種不耗能的高效的調速方式：提升機大部分時間都處在電動狀態，節能顯著，經測算節能２５％以上，運行時間越長節電越多，能有效降低運行成本，提高經濟效益。
　　
　　3、維護少。變頻器的無極變速使得整個絞車運行平穩，顯著減少機械沖擊與磨損，齒輪、制動盤、閘瓦、鋼絲繩、減速箱、連軸器等使用壽命顯著延長，減少了維護人員的工作量，降低了維護成本，節省了人力物力，提高了運煤能力，間接的經濟效益可觀。
　　
　　4、易操作。提升機操作人員在開提升機時操作簡便，發生誤動作的概率小。而常規系統的開車過程中，要嚴格配合制動手柄和換檔手柄的操作，提升、下放的操作順序不一樣，容易造成飛車或急起、急停的狀況，跳軌、掉道、彈繩等事件偶有發生，有可能釀成大的事故，給安全生產帶來很大的挑戰。特別是在負荷不同的情況下，起步停車減速段要次次達到慢起、慢停、準確停車很不容易！而使用變頻器后，相應的操作變得很簡單。因此，使用變頻器能降低提升機操作人員的操作難度，也降低了事故的發生機率。從安全的角度也是非常有利的。
　　
      5、低干擾，低噪音，低沖擊，對電網其他設備影響小。
      6、自動變速。可以設置多段速度，保證了在多段變坡點的平穩運行。
　　總之，使用變頻器系統在提升機提升下放過程中，在安全、節能、維護、使用等方面都將得到極大的提高。
　　
　　四、變頻器的選型
　　本系統所采用的三相異步電動機的額定功率為１１０ｋＷ，額定轉速為９６０ｒ／ｍｉｎ，額定電流為２５９Ａ，工頻５０Ｈｚ，根據功率原則以及與ＰＬＣ型號的匹配，采用西門子矢量型ＭｉｃｒｏＭａｓｔｅｒ４４０變頻器， 其型號為６ＳＥ６４４０－２ＵＤ４２－０ＧＢ１。電動機在運行過程中，過載時的最大輸出電流可以按下式計算：Ｉｍ＝ｋＩｅ，式中，Ｉｍ為過載時的最大輸出電流；Ｉｅ為電動機的額定電流；ｋ為過載系數。根據本系統的要求，過載系數取１４，則電機過載時的最大輸出電流Ｉｍ＝３６２６Ａ。對于６ＳＥ６４４０－２ＵＤ４２－０ＧＢ１的變頻器，其輸出功率為２００ｋＷ，額定輸出電流為３２０Ａ，５７ｓ過載電流（最大輸出電流）為額定輸出的１５倍，但在實際中根據變頻器要滿足的條件，可取過載系數為１３６％，可得Ｉｍ＝３２０×１３６＝４３５２Ａ＞３６２６Ａ，因此滿足負載的過載要求。
　　
　　在對變頻器ＭｉｃｒｏＭａｓｔｅｒ４４０進行通信控制時，需要對變頻器的參數進行設置，主要對表１所示的幾個參數進行調整（見表１）。

      ２、司機操作臺（Ｐ１）的主要功能
      司機操作臺上裝有與運行相關的重要參數的儀表，為在系統發生故障或其它需要時進行必要的控制提供運行參數。司機操作臺配有彩色液晶觸摸屏，具有友好的人機界面，采用多級多層可切換式操作菜單，顯示直觀，操作簡便。通過觸摸屏可實時顯示系統運行狀態、工作參數，如運行電壓、工作電流、提升機負荷、油溫、油壓、電機轉速、纜車運行速度、纜車運行位置、當期行程等；可記錄系統在各運行階段內的各參數變化值，并具有系統工作參數的運行趨勢分析功能；可自動判斷并顯示故障，包括故障裝置、故障類型、故障原因、故障元件等，對故障進行聲光報警，并可由專家系統給出故障處理建議，查詢故障歷史檔案（至少可保存最近發生的４０個故障記錄）；可修改ＰＬＣ內部參數設置（需有相應權限）；具有密碼保護功能，可根據權限設置、修改操作員密碼，不同安全等級的操作員具有不同的操作權限。配有手動操作的主令控制器，可手動調整制動力及行車速度，并配有腳踏緊急制動開關，當發生緊急情況時快速制動，防止事故發生和擴大。

      ３、ＰＬＣ控制柜（Ｐ２）的主要功能
      控制柜實現對提升機的控制、監測、保護等功能，系統除緊急保護功能外的所有控制和聯鎖功能均由該柜的可編程邏輯控制器（ＰＬＣ）完成。ＰＬＣ采用能適應惡劣工業環境、抗干擾能力強、可靠性高的ＦＸ系列ＰＬＣ產品，其開關量和模擬量的輸入輸出可自由配置；采用斷電保持的程序存貯器，在無后備電池時斷電重新開機后也能正常工作（系統配有長效后備電池）；ＰＬＣ具有自檢功能，即使自身發生故障，也可確保系統安全；有日歷和標準時鐘功能，能有效追溯所有事件（包括故障事件和指定的重要操作）；具備２個通訊端口（編程器端口和通用端口），可同時使用，通過通用通訊端口與彩色液晶觸摸屏聯接，可直觀方便地顯示系統運行狀態、故障狀態、運行參數，可顯示全部開關元件的狀態及各種故障、報警信息。

　　系統配有電壓變送器、電流變送器、油溫變送器、油壓變送器、制動器閘瓦開關及測量纜車運行速度和運行位置的編碼器，以將相關參數采集傳送至ＰＬＣ內進行運算、處理，以便進行相應控制、保護。變送器均采用防塵、防水、防腐蝕的全密封機構，防護等級ＩＰ６６。各種機構均設有工作及緊急限位保護，以充分保證系統的安全運行。
　　
      六、變頻控制柜（Ｐ３）的主要功能
      變頻控制柜實現對提升機電力拖動功能，變頻器運行主要由ＰＬＣ進行控制。變頻采用日本安川Ｇ７系列３電平變頻器，用戶不用考慮更換電機，減少改造的成本，該系列變頻器具有轉矩限制功能、可進行矢量控制、支持四象限運行（主要用于起重設備）。安川Ｇ７系列３電平變頻器特點：① 降低對電動機端子的沖擊電壓：不需要使用解決沖擊電壓的外選附件，可用于一般電機（包括繞線電機）；②降低高頻漏電流：減少接地檢測器的誤動作；③ 降低ＥＭＩ，可使干擾濾波器小型化、簡單化；④ 解決了軸承電流腐蝕問題，提高了軸承的使用壽命。控制流程如圖２所示。

      七、電源及制動單元柜（Ｐ４）的主要功能
      主要用于向其他控制柜提供電源，提高電源輸入端的功率因數、減少諧波和提供能耗制動功能。

      八、制動電阻柜（Ｐ５）的主要功能
      當電機處于發電狀態時，用于消耗電機反饋回變頻器的能量。

      九、其他外圍設備的主要功能
      系統配有電壓變送器、電流變送器、油溫變送器、油壓變送器、制動器閘瓦開關、限位開關、接近開關，提供系統運行狀態、工作參數，包括運行電壓、工作電流、提升機負荷、油溫、油壓、電機轉速、纜車運行速度、纜車運行位置、當期行程等，還為系統提供提升機精確定位的控制信號。

      十、井道開關描述
      豎井的停靠位置共為６個中斷，在井口和井底定位開關成對配置，一個為非接觸式，另一個為接觸式開關；井口和井底過卷開關成對配置，為帶狀鎖定的安全開關；主井井口和井底減速開關成對配置，在井口配置井口位置校對開關（又稱原點開關）。中間４個水平中段的上下兩側各配置１個減速開關，作為提升機的上行和下行減速。提升機的井道開關不與信號系統的井道開關共用，礦山提升系統多為半自動操作方式。井道開關的布置如圖３所示。

      十一、結 語
      通過對電抗器和制動電阻構成的提升機變頻系統的實驗運行，其運行速度非常平穩，達到了設計要求，且具有安全、節能、維護少、易操作、低干擾、低噪音、低沖擊、自動變速等優點。此系統的成功運行為變頻器在礦山豎井的應用搭建了良好的平臺，更有助于礦山開發的進一步發展。