引言

礦井提升設(shè)備在按對供電可靠性要求的負(fù)荷分類中，屬于二級(jí)負(fù)荷，是礦井運(yùn)輸?shù)闹饕h(huán)節(jié)，主要任務(wù)是提升井下的矸石、煤和廢石，同時(shí)還要運(yùn)送人員、設(shè)備和材料，因此礦井提升機(jī)工藝對電氣傳動(dòng)的要求是很高的。主要表現(xiàn)在：第一，提升機(jī)電氣傳動(dòng)的可靠性，不僅關(guān)系到礦井的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)計(jì)劃管理，而且直接關(guān)系到井下每個(gè)礦工的生命安全，電控設(shè)備的任何故障都可能造成人身事故和整個(gè)礦井停產(chǎn)。第二，必須滿足提升機(jī)力圖要求并能在四象限平滑運(yùn)行。第三，能夠頻繁進(jìn)行正向、反向、啟動(dòng)、運(yùn)行、停車、制動(dòng)，能按一定的速度圖運(yùn)行。第四，負(fù)載屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，對礦井提升機(jī)來說，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，僅僅取決于負(fù)載的輕重，而與轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)。

礦井提升過程一般包括：啟動(dòng)加速、等速、減速、爬行和停車五個(gè)環(huán)節(jié)。目前我國傳統(tǒng)煤礦提升機(jī)廣泛采用交流繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的機(jī)械特性，當(dāng)在轉(zhuǎn)子回路串接附加電阻后，機(jī)械特性硬度降低，穩(wěn)定性受到影響。一般調(diào)速范圍不大于（2~3）。另外轉(zhuǎn)子回路的電流較大，不宜長時(shí)間低速運(yùn)轉(zhuǎn)。在啟動(dòng)加速過程中，為了既不出現(xiàn)不容許的過載，又能發(fā)揮電力拖動(dòng)的比較大工作效果，要求提升各環(huán)節(jié)依一定的順序在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)完成，以保證在各環(huán)節(jié)過渡中電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩不超過允許的極限值。目前一般采用以電流為主、時(shí)間為輔的控制原則，既通過檢測電流和時(shí)間來切換轉(zhuǎn)子電阻；在減速過程中，一般采用斷開三相電源投入直流電流進(jìn)行動(dòng)力制動(dòng)減速，同時(shí)投入合適的轉(zhuǎn)子電阻。為保證減速度符合有關(guān)煤安要求，一般在機(jī)械傳動(dòng)部安裝凸輪盤，通過凸輪盤曲線調(diào)整注入到電動(dòng)機(jī)直流電流的大小，使得負(fù)載按設(shè)定的速度曲線運(yùn)行。進(jìn)入爬行階段，由于速度降低，轉(zhuǎn)子切割直流電流建立的磁場變慢，制動(dòng)力降低，此時(shí)不能用直流制動(dòng)進(jìn)入爬行階段，一般引入一套低頻電源裝置控制電機(jī)在低速爬行直到投入液壓盤閘停車。通過以上對傳統(tǒng)提升機(jī)電控介紹，為滿足有關(guān)煤安對提升的加速度、減速度、速度運(yùn)行曲線、正反向力的控制的要求，用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速方式用于煤礦提升的控制電路極其復(fù)雜、由于負(fù)載的不確定，在減速階段通過凸輪盤對注入直流電流的負(fù)反饋的電子電路調(diào)試難度非常大；特別是在進(jìn)入爬行階段需增加一套低頻電源裝置，在切換瞬間，整個(gè)控制系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)短暫失控狀態(tài)。

而新型的礦井提升機(jī)變頻電控設(shè)備采用變頻器作為核心部件，發(fā)展十分迅速。它在操控性能、節(jié)能，降低噪音，維護(hù)量等方面的優(yōu)點(diǎn)非常突出?？梢愿拘缘慕鉀Q以上傳統(tǒng)提升電控出現(xiàn)的所有問題。但各類變頻器均有各自的使用特點(diǎn)和差異，本文就艾默生CT SP系列變頻器在2.5米礦井提升機(jī)中的應(yīng)用和選配作簡單介紹。主井為立井，井筒深度325米，井架高度22米，主井采用的提升機(jī)為2JK-2.5×1.5/31.5型單繩纏繞式提升機(jī)，鋼絲繩比較大靜張力為90kN,兩根鋼絲繩比較大靜張力差為55kN,原配電機(jī)為26OKW10KV繞線型三相異步電動(dòng)機(jī)，所配電控為繼電邏輯控制的串電阻調(diào)速電氣控制系統(tǒng)。為了適應(yīng)煤礦新形勢的需要，滿足煤安比較新要求，將原電控系統(tǒng)改造成節(jié)能、便于維護(hù)與操作、技術(shù)先進(jìn)價(jià)格合理的變頻電氣控制系統(tǒng)。

經(jīng)過多方考察與經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，改造后的電源將原10KV電壓通過一個(gè)500KVA變壓器降壓為380V，主電機(jī)改為YVF400L4-10型355KW380V變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，通過對多種變頻器進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和綜合性能比較，我采用了EMERSON CT CT公司的SP系列變頻器，該電控系統(tǒng)已于去年成功使用，用戶特別滿意，節(jié)能效果比較明顯。

變頻裝置主要技術(shù)參數(shù)

(1)輸入電源電壓AC380-480V，頻率50HZ；電壓允許波動(dòng)范圍+/-10％；頻率允許波動(dòng)范圍48-65HZ；

(2)輸出頻率范圍0～50Hz連續(xù)可調(diào)；

(3)額定重載輸出功率：500kW。

(4)過載能力200%以上，1分鐘；

(5)有較高的功率因數(shù)cOS(p>0．98；

(6)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升功能，能保證200％ 的額定轉(zhuǎn)矩；

(7)變頻器設(shè)有過壓、欠壓、過流、過載，功率元件過熱和電機(jī)缺相等保護(hù)，設(shè)有故障記憶功能，能保留比較近10次故障的功能號(hào)碼和比較后一次故障的參數(shù)；

(8)總諧波含量<5％。

主要技術(shù)原理

(1)采用全數(shù)字速度傳感器閉環(huán)矢量控制，使系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高。變頻器在低頻運(yùn)行時(shí)，也保證有175％以上額定力矩輸出。比較大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量問的幅值和相位，即控制定子電流矢量，這種控制方式稱為矢量控制方式。這樣就可以將一臺(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。新型矢量控制變頻器具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測、自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)功能，在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。

(2)操作簡便可靠，司機(jī)只用主令控制手把就可以實(shí)現(xiàn)絞車的起動(dòng)、等速、減速、爬行和重物下放時(shí)操作，減輕了操作強(qiáng)度。

(3)當(dāng)絞車作重物下放操作時(shí)，電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)能自動(dòng)將電動(dòng)機(jī)發(fā)出的再生能量消耗在制動(dòng)電阻上。同時(shí)，制動(dòng)力矩增大，保證了絞車下放時(shí)的安全性。

(4)雙加／減速時(shí)間可根據(jù)提人和提物選擇改變變頻器內(nèi)的加速度、減速度的不同值

(5)具備變頻器諧波治理。

1、變頻器容量選擇原則

在提升機(jī)械中，選擇電動(dòng)機(jī)容量的依據(jù)是電機(jī)線圈的發(fā)熱量。就是說，在電動(dòng)機(jī)帶得動(dòng)的前提下，只要其溫升在允許范圍內(nèi)，短時(shí)間的過載是允許的。若電動(dòng)機(jī)以變速度和變力矩運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量與此電動(dòng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速和固定力矩運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量相等，就可以根據(jù)該固定力矩和額定轉(zhuǎn)速來計(jì)算和選擇電動(dòng)機(jī)的容量，通常稱此固定力矩為等效力矩。電動(dòng)機(jī)的過載能力一般定為額定轉(zhuǎn)矩的1.8-2.2倍。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)和變頻器以恒轉(zhuǎn)矩工作時(shí)，在長時(shí)工作制（S1）下，EMERSON CT公司SP6及以上系列變頻器的電流允許在閉環(huán)狀態(tài)下60S內(nèi)有50%的過載，對啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩提供一個(gè)足夠的備用。由于礦井提升機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因此變頻器的基本負(fù)載電流比較少要等于在所要求的負(fù)載工作點(diǎn)在滿載轉(zhuǎn)矩下的電機(jī)電流值。變頻器的容量選擇原則應(yīng)符合以下原則：

（1）由于礦井提升機(jī)屬于重載啟動(dòng)運(yùn)行，電機(jī)級(jí)數(shù)一般為6級(jí)以上，因此變頻器的額定功率至少要比電機(jī)功率放大一至二檔，并且變頻器的重載比較大持續(xù)輸出電流要大于電動(dòng)機(jī)的額定電流。一般來說，變頻器額定功率為電機(jī)額定功率的1.3倍左右。

（2）變頻器的比較大電流必須大于或至少等于電機(jī)的額定電流，在多電機(jī)傳動(dòng)下，大于或等于總的電機(jī)額定電流。否則過低的漏感會(huì)產(chǎn)生過高的電流尖峰，導(dǎo)致跳閘。

由于主電機(jī)額定電流為720A，根據(jù)以上原則，并考慮到第一次配用，因此變頻器重載比較大持續(xù)輸出電流選為900A，變頻器型號(hào)為SP9414，正常負(fù)載下標(biāo)稱功率為560kW，重載下標(biāo)稱功率為500kW。

為了使用閉環(huán)矢量控制功能，還需在主電機(jī)軸端安裝一個(gè)正交增量型編碼器，以及時(shí)反饋電機(jī)信號(hào)。

2、自配外接制動(dòng)電阻及選擇

礦井提升機(jī)在下放重物時(shí)，將產(chǎn)生大量的再生能量。對再生能量的處理方法有兩種，一種是用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻來吸收，另一種是通過設(shè)置在直流公共母線上的整流回饋裝置回饋到電網(wǎng)。由于整流回饋裝置價(jià)格較貴，對電網(wǎng)的要求也較高，且礦井提升機(jī)的總工作時(shí)間并不長。綜合性價(jià)比，一般采用制動(dòng)單元加制動(dòng)電阻的能耗制動(dòng)方式。

制動(dòng)單元就是在直流母線回路中加接一檢測直流母線電壓的IGBT管，一旦直流母線回路電壓超過一定的界限，該晶體管導(dǎo)通，并將過剩的電能通過與之相連接的制動(dòng)電阻器轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。

制動(dòng)電阻的選擇需考慮制動(dòng)力矩（即通過制動(dòng)電阻的電流）和制動(dòng)功率（制動(dòng)電阻消耗的再生電能）。SP9414變頻器標(biāo)配4個(gè)制動(dòng)單元，4個(gè)制動(dòng)單元的制動(dòng)功率滿足150%以上的制動(dòng)力矩要求。這里只對制動(dòng)電阻的阻值和制動(dòng)電阻功率進(jìn)行配置。提升機(jī)在整個(gè)工作過程中比較大再生發(fā)電功率出現(xiàn)在減速階段，此時(shí)負(fù)載（含鋼絲繩）的動(dòng)能和勢能均需要考慮。

減速階段再生發(fā)電電能：

A=（1/2MV₀²-1/2MV₁²+A1）*K A再生發(fā)電電能，M鋼絲繩質(zhì)量和負(fù)載質(zhì)量、V0減速點(diǎn)速度、V1停車時(shí)速度=0、A1減速點(diǎn)到停車點(diǎn)的勢能、K回饋時(shí)的機(jī)械轉(zhuǎn)換效率取0.7

減速階段再生發(fā)電功率

P=A/T P減速階段再生發(fā)電功率 T=減速階段減速時(shí)間

通過查資料得知：變頻器SP9414每個(gè)制動(dòng)單元所配制動(dòng)電阻的比較小電阻值為3.8歐，瞬時(shí)額定功率為160kW,每分鐘平均功率為160kW。該系統(tǒng)每個(gè)制動(dòng)單元實(shí)際所配制動(dòng)電阻的比較小電阻值為3.92歐，滿足單個(gè)SP9414變頻器單個(gè)制動(dòng)電元要求。由7箱ZX26-0.56Ω100A，該電阻長時(shí)消耗功率為每箱5kW，考慮電阻的熱時(shí)間系數(shù)，在周期60S內(nèi)通電持速率為17.5%時(shí)瞬時(shí)功率消耗為28.35kW。滿足系統(tǒng)要求。

4、編碼器的選擇

本系統(tǒng)為大容量電機(jī)，工作電流較大，現(xiàn)場電磁干擾惡劣，因此編碼器的選擇尤為重要。編碼器的供電電壓盡量選高，且為差分。SP系列變頻器目前支持市面主流編碼器，電壓達(dá)到DC15V。

3、變頻器控制回路的抗干擾措施

由于主回路的非線性(進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作)，變頻器內(nèi)由于存在IGBT等高速開關(guān)的工作，在電路中會(huì)出現(xiàn)分布電感和分布電容，產(chǎn)生磁能和電能的轉(zhuǎn)換，出現(xiàn)傳導(dǎo)干擾和空間電磁輻射。而其周邊控制回路卻是小能量、弱信號(hào)回路，容易受干擾，造成變頻器自身和周邊設(shè)備無法正常的工作。因此，變頻器在安裝使用時(shí)，必須采取抗干擾措施：

（1）速度給定的控制電纜取1點(diǎn)接地，接地線不作為信號(hào)的通路使用。

（2）電纜的接地在變頻器側(cè)進(jìn)行，使用專設(shè)的接地端子，不與其它接地端子共用，并盡量減少接地端子引接點(diǎn)的電阻，一般不大于4歐姆。

（3）變頻器前側(cè)安裝線路電抗器，可抑制電源側(cè)過電壓，并能降低由變頻器產(chǎn)生的電流畸變，避免使主電源受到嚴(yán)重干擾。

（4）由于電網(wǎng)的波動(dòng)，以及現(xiàn)場電源具有自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置，變頻器輸入側(cè)加裝輸入電抗器尤其重要。

（5）變頻系統(tǒng)的供電電源與其他供電電源相互獨(dú)立。

（6）電動(dòng)機(jī)和變頻器之間的電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并與其他的弱電信號(hào)在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾。

（7）信號(hào)線采用屏蔽線，且布線時(shí)與變頻器主回路控制線錯(cuò)開一定距離（至少20cm以上），切斷敷設(shè)干擾。

（8）變頻器使用專用接地線，且用粗短線接地，鄰近其他電氣設(shè)備的地線必須與變頻配線分開，使用短線。這樣能有效抑制電流諧波對鄰近設(shè)備的輻射干擾。

（9）當(dāng)電機(jī)電纜長度大于50m或80m(非屏蔽)時(shí)，為了防止電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)過電壓，減小電動(dòng)機(jī)對地的泄露電流和噪聲，保護(hù)電動(dòng)機(jī)，應(yīng)在變頻器和電動(dòng)機(jī)之間安裝電抗器。

變頻器SP9414內(nèi)置壓降為2%的輸入線路電抗器和有中心抽頭的輸出均流電抗器。增加進(jìn)線電抗器可降低因相位不均衡或電網(wǎng)嚴(yán)重干擾造成驅(qū)動(dòng)器損壞，同時(shí)降低諧波電流。

鄭州變頻器　網(wǎng)址：http://www.cntjjp.com.cn 鄭州變頻器維修中心 維修電話：0371- 56700815  15515598858

4、變頻器故障診斷與日常維護(hù)

艾默生CT SP系列變頻器的驅(qū)動(dòng)器顯示器顯示驅(qū)動(dòng)器的各種狀態(tài)信息，分為以下三類：故障指示、告警指示、狀態(tài)指示。如驅(qū)動(dòng)器故障，驅(qū)動(dòng)器輸出即停止，驅(qū)動(dòng)器不再控制電機(jī)。下排顯示器顯示故障類型，上排顯示器顯示故障信息。有關(guān)故障指示信息見用戶手冊表13-1。

在變頻器日常維護(hù)過程中:

(1) 整流模塊損壞 一般是由于電網(wǎng)電壓或內(nèi)部短路引起。在排除內(nèi)部短路情況下，更換整流橋。在現(xiàn)場處理故障時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)檢查用戶電網(wǎng)情況，如電網(wǎng)電壓，有無電焊機(jī)等對電網(wǎng)有污染的設(shè)備等。

(2) 逆變模塊損壞 一般是由于電機(jī)或電纜損壞及驅(qū)動(dòng)電路故障引起。在修復(fù)驅(qū)動(dòng)電路之后，測驅(qū)動(dòng)波形良好狀態(tài)下，更換模塊。在現(xiàn)場服務(wù)中更換驅(qū)動(dòng)板之后，還必須注意檢查馬達(dá)及連接電纜。在確定無任何故障下，運(yùn)行變頻器。

(3) 上電無顯示 一般是由于開關(guān)電源損壞或軟充電電路損壞使直流電路無直流電引起，如啟動(dòng)電阻損壞，也有可能是面板損壞。

(4) 上電后顯示過電壓或欠電壓 一般由于輸入缺相，電路老化及電路板受潮引起。找出其電壓檢測電路及檢測點(diǎn)，更換損壞的器件。

(5) 上電后顯示過電流或接地短路 一般是由于電流檢測電路損壞。如霍爾元件、運(yùn)放等。

(6) 啟動(dòng)顯示過電流 一般是由于驅(qū)動(dòng)電路或逆變模塊損壞引起。

(7) 空載輸出電壓正常，帶載后顯示過載或過電流 該種情況一般是由于參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或驅(qū)動(dòng)電路老化，模塊損傷引起。

5、結(jié)束語

隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻器的特性、性能及功能日益完善，如何更恰當(dāng)、更合理地選擇變頻器是驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵所在，如何利用變頻器的功能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加符合使用要求是設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。變頻器在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用也將越來越廣泛。

鄭州變頻器　網(wǎng)址：http://www.cntjjp.com.cn 鄭州變頻器維修中心 維修電話：0371- 56700815  15515598858