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1隔爆兼本安型全数字矿井提升机变频调速电控系统技术培训一、目录系统概述系统组成变频调速系统PLC控制系统提升信号系统一、系统概述1,变频绞车煤矿井下斜井绞车，以前主要是以交流异步电机转子串电阻调速绞车(电气拖动）,液压绞车(液压拖动)等几种方式为主，但这些设备在安全可靠性、调速、节能、操作、维护等方面都不同程度的存在缺陷。串电阻调速主要缺陷有:1),属于有级调速,开环运行,因而调速精度低,特别是在出现负力提升时,要由司机判断速度来人为投入低频或动力制动装置,因而很不安全。2),转子串入附加电阻后，电机机械特性很软，低速运行时负载稍有变化转速波动很大。3),电机低速运行时效率很低，电动机电磁功率中的转差功率全部转化为转子回路中的铜耗以发热的形式消耗掉，浪费了大量的电能。4),由于电机转子回路串有大量金属电阻,在运行中电阻散发出大量热量，造成电阻箱变形失爆。5),安装大量的金属电阻,大大增加了电控峒室的面积,也大大增加了峒室的开拓费用。液压绞车在一定程度上解决了串电阻调速的缺点,但是在使用过程中,发现液压绞车易漏油,噪声大,传动效率低,维修工作量大,液压马达故障率高等问题,这些问题都造成系统后期的运行费用很高,因而液压绞车并不是煤矿安全生产的最佳产品。防爆变频绞车的问世,使矿井提升机的装备水平发生了质的变化。目前变频绞车已成为市场的主导产品，其主要特点如下：1),结构紧凑、体积小、移动方便、用于矿山井下可节省大量开拓费用。2),安全防爆,适用于煤矿井下等含有煤尘，瓦斯或其它易燃易爆气体的场所。3),变频绞车是以全数字变频调速为基础,以矢量控制技术为核心，使异步电机的调速性能可以与直流电机相媲美。表现在低频转矩大、调速平滑、调速范围广、精度高、节能明显等。4),采用双PLC控制系统,使斜井绞车的控制性能和安全性能更加完善。5),操作简单、运行安全稳定、故障率低、基本免维护2,用途及适用范围变频绞车电控系统,适用于交流异步电动机(绕线型或鼠笼型)驱动的单滚筒或双滚筒缠绕式绞车。既可以与新安装的绞车配套使用,也适合于对老绞车电控系统的技术改造。变频绞车电控设备适用于以下场所：1),海拔高度不超过1000米,如超过这个海拔高度,元器件在功率、容量方面应按海拔高度的增加,适当降容使用。22),周围环境温度不高于+40℃,不低于-20℃；3),相对湿度不超过95±3％；4),在无淋水、滴水、无剧烈振动和颠簸的地点使用;5),没有强磁场作用；6),防爆设备适用于煤矿井下等含有煤尘,瓦斯或其它易燃易爆气体的场所。3,技术参数1),电机型式及调速方式：电机:交流异步电动机,推荐采用鼠笼电机；单机最大容量:660V,500kW;1140V,630kW；电机电压等级:380V,660V,1140V;电压波动范围:±10％；调速方式：交流异步电动机变频调速；主回路:交-直-交电压型；功率器件:IGBT或SKiiP。2),控制方式:PLC双线制控制。3),适用范围:井下暗斜井、暗立井;地面斜井、立井;单水平、多水平;单滚筒、双滚筒。4),产品类型:隔爆型;矿用一般型;普通型。4,注意事项1),变频绞车电控设备主要由电力电子器件和半导体集成电路等组成,在运输及安装过程中,严禁水泡雨淋,要尽量避免强烈的震动,尽量垂直运输。长期不用时,应存放在清洁干燥的地方。储存与使用场所严禁有害气体和湿度超标,防止电子元器件及有关设备受腐蚀损坏。2),防爆设备,在出厂前均已按要求装配调试合格,严禁用户改动装置壳体结构和电气元件,以确保本产品的防爆性能和电气性能。3),严禁对变频器进行耐压和绝缘测试。4),严禁对现场调试好的设备的电气参数和软件私自随意修改。5),严禁擅自改变设备使用电压等级,更换使用对象和使用功率。6),设备安装时,应严格按照厂方提供的图纸施工。严禁在强磁场附近安放和使用。变频器供电电源要求采用独立的变压器就近供电;供电回路馈电开关,应尽量采用电控厂家所推荐的开关;变频器的输入与输出电缆应采用屏蔽电缆,电缆屏蔽层尽可能多处接地,并且应尽量避免与通讯线,瓦斯检测装置和检测线及一些电子仪器仪表等在同一巷道,同一地方相邻。如果相邻，距离要求大于500mm。二、系统组成变频绞车电控系统是由变频调速系统，PLC控制系统，信号系统三部份组成。变频调速系统是根据PLC控制系统发出的控制指令，通过对绞车交流异步电动机转矩和频率的控制,来完成对绞车运行速度的控制。交流异步电动机采用了矢量控制技术后,使异步3电机的调速性能可以与直流电机相媲美。表现在低频输出转矩大、调速平滑、调速范围广、精度高、节能明显等。PLC控制系统主要完成绞车从启动、加速、等速、减速、爬行到停车的整个运行过程的逻辑控制；行程测量、控制与指示；故障检测、报警与保护；安全电路及液压站工作制动与安全制动控制等。PLC控制系统极大地提高了控制系统本身的安全可靠性，使绞车控制性能和保护性能更加完善；使控制系统的硬件组成和线路更加简化；操作和维护更加容易。PLC控制系统受信号系统控制与闭锁。信号系统是根据上下井口和各个中段的生产情况,在具备开车条件后，由各水平信号工以打点的形式,通知司机按要求开车,同时与PLC控制系统之间有各种信号闭锁,可避免因司机误操作造成安全故障。信号系统内部有严格的逻辑闭锁和安全保护功能，并有信号显示，声光报警和通话功能。三、变频调速系统（一），基础知识1,异步电动机的转速:异步电动机定子磁场的旋转速度被称为异步电动机的同步转速。由于当转子的转速达到电动机的同步转速时其转子绕组将不再切割定子旋转磁场，因此转子绕组中不再产生感应电流，也不再产生转矩。因此异步电动机的转速总是小于其同步转速。异步电动机的同步转速由电动机的极对数和电源频率所决定。同步转速：4转差率：电动机的转速：其中：n———电动机转速，r/min；ns———同步转速，r/min；f———电源频率，Hz；p———电动机极对数；s———转差率。2，三相异步电动机调速方法：根据异步电动机的转速表达式可知，异步电动机的调速通过改变极对数，改变转差率和改变频率三种方式。现归纳如下：变极调速------仅适用于笼型异步电动机变转差率调速a，调节转子电压b，转子串电阻------仅适用于绕线式电机c，串级调速------仅适用于绕线式电机变频调速a，交—直—交变频b，交—交变频电磁转差离合器调速3，变频调速:变频调速是通过改变电动机定子供电频率f来改变同步转速ns,从而实现交流电动机的调速。4，交—直—交电压型变频器:先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率的交流电。由于中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，相当于内阻抗为零的恒压源，因此这种变频器属于交-直-交电压型变频器。5，IGBT（IsolatedGateBipolarTransistor，隔离门极双极型晶体管）：是目前广泛应用于中小容量变频器中的一种半导体开关器件。由于它集功率MOSFET和功率晶体管的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度快等特点。6，IPM（IntelligentPowerModule，智能功率模块）：是一种将功率开关器件及其驱动电路，保护电路和部份检测电路等集成在同一封装内的集成模块。目前的IPM一般采用IGBT作为功率开关器件，通过接口电路对IGBT进行驱动，并同时具有过流、短路保护，过温保护等保护功能。其功率损耗小，发热低，为解决防爆变频调速装置的散热问题提供了有利的条件。7，PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）控制：在逆变器中对半导体开关元器件按一定规律控制其导通与关断，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。改变脉冲宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，改变调制周期，可以控制其输出频率。如果所获得的矩形脉冲电压是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形就叫做正弦脉宽调制波形（SPWM）。8，矢量控制：矢量控制的基本思想就是按照交流电动机产生与直流电动机磁场等效的原则，将交流电动机的定子电流分为产生磁场的励磁电流分量和与其相垂直的产生转矩的转矩电流分量5并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量，故这种控制方式被称为矢量控制方式。采用矢量控制方式后使交流电动机调速性能可以与直流电动机一样好。9，发电运行状态：绞车在重物下放或重物上提的减速段，电机的同步转速小于实际转速，这时电机中电磁转矩方向和转子的旋转方向相反，电机是处于发电制动状态。10，动力制动(直流制动)：在电机定子上施加直流电源，在定子内形成一固定磁场，当转子旋转时在转子内生成的感应电流所产生的转矩方向与转速方向相反，形成制动转矩。11，能耗制动：对于二象限交-直-交电压型变频器，电机处于发电状态时的再生能量通过逆变器进入直流回路，使直流母线电压升高，制动单元实时采样直流母线电压值，当其值升到某一阈值时，制动单元接通制动电阻将这部份能量消耗在电阻上。12，回馈制动：对于四象限交-直-交电压型变频器，电机的再生能量通过逆变器进入直流回路后，可通过可控整流器回馈到电网中。可控整流器可采用整流/回馈单元和AFE回馈单元两种形式。a,整流/回馈单元：整流/回馈单元是由两组晶闸管三相全控桥反并联构成的，逆变桥是通过一台自耦变压器接到电网上。当电机产生再生能量使直流母线电压升高时，逆变桥可将这部份能量通过自耦变压器回馈电网。b,AFE回馈单元:整流器与逆变器具有相同的主回路结构，是由IGBT模块组成。其显著特点是电源侧电流波形为正弦波；功率因数可调；可工作在电动或发电状态；有电压提升功能可补偿电网电压降低的影响；在发电状态时，当电网电压消失时不会造成逆变失败。二），三种常用的变频器在提升机系统中的应用1，二象限变频器：二象限变频器配上制动单元和制动电阻后，可以进行四象限运行。由于电动机的再生能量完全消耗在电阻上，浪费了大量的电能，因而这类变频器适用在小功率的电机上，并且也适用在非防爆的矿井提升机上。图示交-直-交电压型变频器主回路是由交-直变换电路，直-交变换电路和能耗制动电路组成。61），交-直变换电路交-直变换电路就是整流和滤波电路，其作用是把电源的三相交流电变换成平稳的直流电。整流电路采用的是由二级管组成的三相全波整流电路。滤波电路是由若干个电解电容器串并联而成。因为电解电容器的电容量有较大的离散性，使它们承受的电压不相等，通过在每个电容器上并联阻值相等的均压电阻来均压。2），直-交变换电路三相逆变桥的功能是把直流电变换成频率可调的三相交流电。逆变电路中的功率开关器件目前主要采用的是IGBT，IGBT的栅极接受控制电路中SPWM调制信号的控制，将直流电压变成三相交流电。与IGBT并联的二极管构成续流电路，可为电动机绕组的无功电流及电机的再生能量反馈到直流电路提供通路。3），能耗制动电路在下放重物或减速时，电动机的同步转速低于转子转速，电动机处于发电制动状态。电动机的再生能量经逆变侧续流二极管全波整流后反馈到直流电路，由于直流电路的电能无法通过由二极管组成的三相整流电路回馈到电网，因而使直流电压升高，当直流电压超过一定值时，制动单元接通制动电阻，使直流回路通过制动电阻释放能量。这种通过消耗能量而获得制动转矩方式就属于能耗制动。二象限变频器无法实现将电机的再生能量回馈到电网，是靠能耗制动来获得制动转矩的，因而造成电能浪费；另外，整流桥只有在电源的线电压大于电容器两端的直流电压时才有冲电电流，因而冲电电流总是出现在电源电压的峰值附近，呈不连续的冲击波形式，具有很强的谐波成份。5次和7次谐波分量约占总谐波的80%和70%。2，带整流/回馈单元的变频器：带整流/回馈单元的变频器属于四象限变频器。整流/回馈单元是由两组6脉动晶闸管三相全控桥反并联构成的，逆变桥是通过一台自耦变压器接到电网上。当电机产生再生能量使直流母线电压升高时，逆变桥可将这部份能量通过自耦变压器回馈电网。整流/回馈单元为了工作在发电状态，必须将加在逆变桥上的电压提高20%，用自耦变压器来