绞车变频提升系统设计

绞车变频提升系统设计（精选6篇）

绞车变频提升系统设计 第1篇

关键词：拖网绞车,变频控制,PLC,张力平衡

拖网绞车是渔船上最主要的捕捞设备, 目前渔船用绞车大多采用交流绕线式异步电动机转子串电阻的调速或液压驱动方案, 控制性能较差, 体积较大, 结构复杂、效率低, 噪声大, 远不能满足安全生产规程的要求。在大型化和自动化程度越来越高的形势下, 电力变频绞车的优势更明显。电力变频绞车主要是采用交流变频调速系统对绞车进行驱动, 由于变频器控制性能优越、调速范围大、调速精度高, 使电机拖动具有高效率的驱动性能及良好的控制特性, 在船舶应用上越来越多。丹麦Ocean Prawns A/S公司的ATLANTIC Enterprise号是世界上首艘完全采用交流绞车控制系统的拖网渔船, 船上的19台交流绞车全部采用交流变频驱动, 它们可提供与液压绞车同样强劲的牵引力, 而且运行平稳、噪声低, 具有高效节能、结构紧凑、易于安装和维护的特点。结合拖网绞车恒张力需要, 采用PLC和变频器控制交流电机, 应用转矩限制功能实现拖网曳纲张力平衡控制, 为拖网渔船安全、高效捕捞作业提供条件[1,2]。

1 控制系统设计

1.1 交流电机调速原理

变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系:n=60 f (1-s) /p, (式中n、f、s、p分别表示转速、输入电源的频率、电机转差率、电机磁极对数) ;通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频调速系统的控制方式包括V/F、矢量控制 (VC) 、直接转矩控制 (DTC) 等[2]。

1.2 变频控制系统总体设计

拖网渔船作业时, 由拖网绞车拖曳网具在渔场前行, 由于风浪、渔获量的变化或渔船转向等的影响, 都会引起绞车钢丝绳张力变化或不平衡, 导致网具变形, 影响捕捞效果, 甚至对作业设备产生破坏。因此, 如何根据钢丝绳张力变化自动控制拖网绞车, 保持拖网曳纲张力平衡是系统的关键。

该拖网绞车控制系统采用PLC和变频器调节交流异步电机转速的方法, 系统以可编程序控制器 (PLC) 作为核心控制部件, 通过变频器驱动交流电机, 实现绞车的正反转起动、停止和调速。拖网作业时, 拖网绞车大部分时间处于刹车状态, 张力传感器实时测量拖网左右纲绳的张力, 张力信号经由张力检测模块传送到PLC, 经PLC运算、比较, 当左右纲绳的张力差值超过设定的界限时, 控制系统驱动相应的绞车收放纲绳, 自动调整左右曳纲张力与长度, 使左右纲绳达到动态平衡, 绞车处于恒张力状态。系统应用变频器控制性能中的转矩限制模式作为恒张力控制的实现原理。在恒张力联动工况中, 由工况转换开关激活转矩限制模式, 并接通恒张力调节电位器电路[3,4,5,6,7]。控制系统总体框架见图1。

1.3 拖网曳纲张力与速度测定

拖网绞车曳纲张力测定采用直接法, 张力检测选用PAT销轴式传感器。该传感器的中间部分力的输入形式为剪切载荷, 作用在传感器左、右2个部分的支撑力使传感器发生变化, 由剪切应力引起的变形转换成与负载成正比的电信号。该传感器可输出4~20 m A或0~2 500 m V等2种类型信号, 通过电缆将数据传送到PLC内处理后在控制面板上显示出张力值, 并作为驱动单元控制绞车钢缆收放的反馈信号。根据生产实际把曳纲张力分为过载张力和非过载张力, 选定过载阈值和过载时限, 不断对张力的大小、过载张力的持续时间进行监测, 遇到超过一定时限的过载张力即进行报警。

旋转编码器安装在绞车主轴上, 记录并计算滑轮的转速及圈数, 如图2所示。通过电路可在驾驶室控制台上观测拖网绞车的速度及放出缆绳的长度, 同时驾驶室和机盘操作台可根据需要调节绞车速度和钢缆张力值[8,9]。

1.4 变频控制系统硬件设计

交流电机变频控制系统采用西门子系列PLC和变频器构建, 硬件电路如图3所示。PLC控制系统采用西门子S7-200系列, 模块化结构, 配置包含有数字输入、输出模块、模拟量模块、电源模块、CPU模块等。在本系统中采用西门子CPU224和模拟量模块EM235。CPU224有14个输入接口和10个输出接口。模拟量模块EM235控制变频器的运行频率, 进而控制电机的转速。

PLC输入数字信号有:控制绞车运行的正转指令信号、反转指令信号、停机指令信号、急停指令、变频器故障信号。PLC输出信号有开停机信号、正反转信号、复位、急停及各种状态指示信号。PLC的模拟量输出信号用来控制变频器的运行频率。PLC通过程序对输入指令信号进行各种逻辑处理, 转换成一套高效执行的控制指令, 控制执行元件, 完成自动化控制功能[10,11,12]。

该系统中变频器采用西门子6SE70全数字矢量控制变频器。6SE70矢量控制变频器与PLC相互配合使用, 可以实现时变速度链控制、非线性负荷波动控制、速差大范围调节控制、张力控制等非线性复杂控制功能, 保证整个系统安全可靠、节能经济的高效运行[13]。

在上位计算机上安装SIEMENS SIMOVIS/Drive Mon软件, 实现对变频器的远程控制。通信连接利用USS专用通信线 (将上位计算机的串口1和变频器面板上的通讯口连接) 实现。分别设置变频器型号、USS通讯地址、电机参数设置, 定义功率部分, 设定硬件部分和系统, 设置端口, 设定操作模式和设置通讯等。

1.5 系统软件设计

根据I/O输入、输出地址分配表, 以及各部分流程图及各种信号转换关系, 利用STEP 7-Micro/WIN 32软件编出相关梯形图。在变频器的工厂设置状态下, 传动命令用计算机给出。置于外部控制时, 有2个外部控制方式:手动和自动, 手动/自动控制转换连接到数字输入端, 手动和自动控制模式由选择按钮SA1选择。手动操作启停信号由启停按钮SB1、SB2决定。自动控制模式下, 张力反馈信号连接到变频器模拟量输入端, 计算机启动、停止信号连接到数字输入端, 启、停信号根据相应的参数设置为通、断式信号。外部给定为4~20 m A, 模拟量输出为0~20 m A。系统流程图见图4。

2 系统应用

设计控制台采用西门子PLC进行过程控制, 控制台具有手动、自动2种操作方式, 二者互为闭锁, 切换简便。操作系统在运行过程中, PLC和变频器与保护功能单元进行实时系统通讯, 有快速故障诊断、保护和报警功能, 从而大大提高系统运行安全可靠性能, 保证拖网作业生产安全、有效进行。作业中的参数如拖网曳纲绳张力、放绳速度、放绳长度等, 通过显示屏直观显示出来, 便于在捕捞作业中操作控制 (表1) 。

3 结语

绞车变频提升系统设计 第2篇

随着经济的发展, 工矿企业的自动化技术水平在不断地提高, 芙蓉集团红卫煤业有限公司是一个年产30万吨的煤与瓦斯突出矿井。安装在井下的提升绞车是原重庆矿山机械厂生产的GKT1.6×1.5-20型绞车, 其电控部分属于非防爆设备, 属于2007年川煤集团控制的重大隐患, 为了整治隐患, 公司决定对该绞车的电控部分进行了改造, 将原金属电阻启动的非防爆电控系统改造为隔爆兼本质安全型四象限变频调速PLC控制的电控系统。该电控系统自2008年元月2日投入使用以来, 运行可靠, 故障率低, 其不仅技术先进, 而且运行经济效果良好。

2 变频调速原理简介

变频的同时也必须变压, 即V/f恒定控制, 它适用于水泵、风机类的轻负载情形。矢量控制方式适用于矿井斜坡提升机类重负荷和恒转距工况的情形。

3 变频调速系统的构成及功能组成

四象限变频调速绞车电控系统是采用其调速装置的拖动系统和双PLC控制系统及传感器构成。

3.1 传动系统

(1) 防爆输入电抗器箱

防爆输入电抗器箱主要功能是滤除高次谐波, 减小对电网的污染;温升低、漏电流小;能够改善输入电流波形和平衡度, 提高系统功率因数。

(2) 隔爆四象限变频调速装置

QJR型隔爆兼本安智能全数字四象限变频调速是采用交—直—交无速度传感器矢量控制技术。它以传感器矢量控制技术为核心, 具有调速范围大, 调速平滑性好, 控制精度高, 响应速度快等优点;在低频运行时, 有自动转矩提升功能。绞车负力运行时, 系统能自动转入发电反馈制动状态, 使制动更平稳, 操作更简单, 大大提高了安全可靠性能, 也节省了大量的电能。

3.2 控制系统

(1) PLC可编程控制箱

它采用了双套PLC控制和双重软硬保护结合的过程控制系统。构成“双线制”控制与保护。

(2) PLC1的主要功能有:

1) 完成提升机运行方式的控制, 包括自动、手动、检修等;

2) 完成提升机逻辑运算与中间闭锁;

3) 完成提升机传动系统的运行控制与速度给定;

4) 完成各种故障、报警、保护功能, 实现多重软硬件保护;

5) 完成轴编码器之间的相互监控与开路保护;

6) 形成软硬件相互冗余, 相互闭锁;

7) 实现提升几套制动系统的控制;

(3) PLC2的主要功能有:

1) 完成速度给定和位置控制;

2) 自动生成位置—速度包络曲线图;

3) 与PLC1位置比较, 偏差过大报警;

4) 形成软件安全电路, 相互冗余, 相互闭锁;

5) 当PLC1出现故障时, 能独立完成有关提升控制;

PLC是以微处理机为主体, 用作数字控制的工业控制装置, 通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程它具有形象直观的梯形图编程语言。

4 经济技术比较

通过非防爆改造后, 与原转子串金属电阻调速进行效能比较如下几点:

4.1 整个系统投入的费用

原转子串金属电阻调速系统总费用比全数字四象限变频防爆绞车控制系统所投入的总费用低30%。

4.2 技术性能比较

全数字四象限变频防爆绞车控制系统属无极调速、闭环控制、调速范围大、精度高、爬行速度易控制;双线制保护, 节能性、安全性好, 易操作。而转子串金属电阻调速系统属则与之完全相反。

4.3 节能性能比较

如提升机每天按80%的运转率来计算, 一天运转20小时左右, 那么, 年节约电费约为31.35万元。可节能40%左右。

4.4 节省维修费用

据统计, 转子串金属电阻调速系统的月检修费用比全数字四象限变频防爆绞车控制系统的月检修费用能够节省2.64万元。

4.5 人工工时的比较

全数字四象限变频防爆绞车控制系统每月只需10个工日对其维护和检修, 按50元/个工计算, 年节约费用为12000元。

4.6 设备的高可靠性

全数字四象限变频防爆绞车控制系统采用的是PLC程序语言控制, 实现了无接触控制极其完备的监测监控, 保护十分完善, 其可靠性高达99%, 只要设备初期运行正常, 一般情况下, 几乎不出故障, 该绞车运行近两年来, 只出现过三次故障, 是因为散热能力和散热方式不完善而致;而转子串金属电阻调速系统由于是采用接触器控制, 接触器在其机械运动中容易磨损, 其保护不完备, 故障率相当高, 据不完全统计, 该绞车运行平均每都要出现10次以上的故障。

4.7 实现了软起动无极调速

全数字四象限变频防爆绞车控制系统起动十分平稳, 起动时的转矩就能达到额定转矩的1.5倍, 为无极调速, 提升力的增加及速度的变化是平滑的, 无突变, 故起钩时矿车几乎无下道, 对电机亦无电器冲击;而转子串金属电阻调速系统由于起动时转子的电阻在切换时, 速度发生突变, 电机电流突变, 对电机的冲击大, 斜坡上串车所受的提升力发生突变, 串车容易侧翻下道, 造成运输事故。

5 总结

提升绞车变频调速改造及效果分析 第3篇

煤矿提升绞车担负着斜井或立井的提升运输任务, 是提升煤炭、矸石、材料及运送人员的关键设备。煤矿在用的提升中, 多数是采用绕线式电机转子回路串电阻调速, 是能耗较大的设备。变频调速的普遍应用, 为煤矿提升绞车的调速改造, 开辟了节能新途径。在较少的投资改造后, 能够实现无级调速, 降低能耗, 故障少, 维护方便等良好效果, 具有广泛的应用前景。

1 提升绞车串电阻调速的缺点

1.1 有极调速, 变速冲击大

提升绞车串电阻调速, 在加速或减速过程, 其速度呈阶梯式跃变, 变速冲击大, 对提升钢丝绳, 提升容器及连接装置等都产生较大的冲击力, 也容易造成提升容器脱轨掉道。在提升运送人员时, 其调速不匀称, 让乘坐人员感觉不舒服。变速冲击也给矿井提升安全带来隐患。

1.2 电阻器易发热, 能耗大

提升绞车串电阻调速, 在低速运行阶段, 其能耗在转子回路的电阻器上消耗, 电阻器易发热, 造成了严重的能源浪费。当下放重物时, 电机处于发电状态, 由于没有能量处理环节, 大量的电能消耗在转子电阻上, 据测定, 约有30%的能量消耗在电阻器上, 造成浪费。同时也影响电阻器及电机的使用寿命。

1.3 启动电流大, 力矩小

绕线式电机的启动电流达额定电流的2~3倍, 给电网造成冲击, 特别是较大功率的提升机更为明显。启动力矩小, 带负荷能力差。在低速和爬行阶段。需要依靠制动闸配合进行速度控制, 速度控制性能较差。

1.4 控制系统复杂, 故障多

提升绞车采用串电阻调速, 其电控系统复杂, 电器元件多, 因频繁的调速切换过程中, 很容易使接触器、电阻器、电机电刷等电器元件出现故障、失灵或损坏。维修费用高, 维护工作量大, 影响矿井生产的机率高。

2 变频调速改造措施

提升机的电控系统采用PLC精确控制, 用变频调速系统替代原串电阻调速系统。这里介绍保留原有的串电阻调速系统, 改造时增加转换开关, 以实现在变频调速或串电阻调速之间的灵活切换, 达到两套系统互为备用。具体接法如下。

2.1 主回路

主回路增加3个三刀双向开关 (QS1、QS2、QS3) 作为切换装置, 让三相电源、定子线圈、转子线圈分别接至相应开关位置, 实现切换。如图1 (a) 、 (b) 所示。

当处于变频调速运行时, 所有开关切换至变频位置, 三相电源经双掷开关QS1、自动空气开关QA接至变频器输入端子 (R、S、T) (同时将零线接至变频器零线端子N) , 变频器输出端子 (U、V、W) 经双掷开关QS2接至电机定子线圈, 绕线电机转子线圈经双掷开关QS3后处于短接状态。

当处于原串电阻调速运行时, 所有开关切换至工频位置, 三相电源经双掷开关QS1、QS2接至定子线圈, 绕线电机转子线圈经QS3接至原调速电阻装置。

2.2 控制回路

变频调速器提供完善的接口电路和工业标准信号, 内设PLC与计算机编程接口, 采用最新WINDOWS版本编程软件进行编程, 既可以与新装系统实现配套使用, 也可以对老系统进行改造。接口电路实现了变频调速器与控制系统的连接, 具有正、反转控制, 速度调节, (可以采用档位调节方式, 也可以采用模拟量输入方式) , 制动系统连锁, 安全回路连锁, 监视操作、自动运行、状态提示等功能。

2.3 运行控制方式

变频调速器依据提升机控制系统的不同, 采用不同的接线方式及控制程序, 可以实现灵活的操作运行方式。变频调速系统可以实现自动运行和手动运行两种方式。

2.3.1 自动运行方式

利用变频调速器内部的PLC控制系统, 设置闭环速度控制软件参数, 可以实现从起步、加速、等速、减速、停车等全过程自动调速运行方式。提升机运行过程中, 除开、停机外, 可以不需要人工干预。同时在控制台显示不同的运行状态。

2.3.2 手动运行方式

在设置手动运行方式下, 操作人员通过改变主令控制器输出量, 来控制变频调速器, 以实现电机的爬行、加速、减速、等速运行, 实现无级调速。在系统给出减速信号后, 变频调速器同样会启动机内部自动减速程序。有效防止人工误操作的发生, 保障系统运行安全。

3 变频调速应用效果

1) 新型变频调速器具有能量回馈功能, 将提升绞车下放时的机械能转换成电能回馈到电网。同时消除了调速时电阻能耗所产生的发热。节电效果明显。改造前后通过电能计量统计, 节电率可达30%~35%;

2) 调速范围广, 实现无级调速。从起步、加速、等速到减速停车, 全过程变速均匀, 消除了阶梯变速的现象, 使提升容器的起步, 停车运行平稳, 减少机械冲击, 提高了安全系数;

3) 启动电流小, 起步平稳。电机在低频率下启动, 电流小, 对电网及机械没有冲击。加减速过程中电机控制平稳, 速度不随负载的变化而有变化;

4) 故障少, 减少了维护工作量, 降低维修成本。同时也没有了电阻的发热, 改善了作业环境;

5) 机械制动与安全回路配合可靠, 当系统出现紧急情况或突然停电时, 变频调速系统能够发出指令, 自动实现机械制动, 最大限度的保障了安全。机械制动时变频调速系统不会出现过载、过流等现象, 可以实现重物的上升中途停车或平稳起步;

6) 操作简便、易于掌握, 设备振动小, 噪声降低。

4 结论

选用能量回馈型变频调速器, 对提升绞车进行了变频调速改造后, 运行情况良好, 控制系统安全可靠, 稳定性好, 操作简单方便, 维护量少, 节电效果明显。

摘要：煤矿在用的提升绞车多数采用绕线电机转子回路串电阻调速, 存在调速不匀, 发热, 能耗大, 故障多等缺点。变频调速可以实现提升绞车的无级调速控制, 具有自动控制, 消除电阻器发热, 降低能耗, 故障少, 维护方便等优点。本文叙述煤矿提升绞车变频调速的改造及应用效果。

关键词：煤矿,提升绞车,变频调速,改造,节能,效果

参考文献

[1]电力拖动与控制.中国矿业出版社.

[2]PLC编程入门教程.西门子公司.

绞车变频提升系统设计 第4篇

矿井提升绞车是提升煤炭和矸石、升降人员、物料及设备的重要机电设备之一,其运转的安全性、可靠性、经济性不仅影响整个煤矿的生产,还涉及到人员的生命安全。因此,提高矿井提升绞车的安全运转性能具有重要意义[1]。本文在分析矿井提升绞车发展状况的基础上,主要介绍变频绞车在煤矿应用中存在的问题及相应的解决措施。

1 矿井提升绞车的发展状况

矿井提升绞车主要有以下几种类型,而这几种类型又代表了我国绞车电控系统的发展历程。

1.1 没有控制系统的绞车(俗称电绞)

电绞主要是应用在55 kW以下的小卷筒、小功率的调度绞车或临时提升物料的绞车。该绞车通过操纵工作闸和制动闸来实现绞车卷筒的正转和停转,从而实现对重物的牵引和停止2种工作状态。电绞的优点:绞车内部各转动部分均采用滚动轴承,运转灵活;采用行星齿轮传动,结构紧凑,刚性好,效率高,安装移动方便,启动平稳,操作灵活,制动可靠,噪音低。电绞的缺点:存在结构不合理的情况,有很高的返修率,除了使用中的正常磨损、使用和保养不当而引起的齿轮损坏外,有相当数量的绞车是因为小行星轮处的键联结损坏、滚键、轴损坏,从而使传动轴和小行星轮报废造成停机现象,严重影响生产。另外,电绞的提升能力一般都比较小,而且速度不易控制,这就要求绞车司机必须技术过硬,且在操作的过程中要精力集中。因此,电绞一般适用于小斜井或提升能力要求不高的斜井。

1.2 防爆液压绞车系统(俗称液绞)

液绞采用1台或2台油泵驱动液压系统,然后通过液压系统驱动液压马达,由液压马达直接驱动卷筒,实现提升功能,这样可以通过控制液压系统中液压油的流量来控制提升机的速度。液绞的优点:采用液压传动,防爆性能好,适用于矿山使用;采用无极变速,调速平稳,操作方便;结构紧凑,体积小;制动可靠,并可调整;易于安装与拆除。液绞不需要减速机直接驱动卷筒,简化了主机系统,故成本较低,又很好地解决了电绞的缺点。但在一段时间的应用后,其缺点也就随之暴露:传动效率低,故障率高,密封差,过载能力差,投资增加。

1.3 变频绞车

随着变频技术的发展与成熟,变频绞车在煤矿上的应用逐渐广泛。变频绞车通过变频器控制电动机速度实现提升功能;具有低频转矩、调速平滑、调速范围广、精度高、节能等特点[2]。其主要优点还表现在以下几个方面:

(1) 操作安全可靠。绞车运行速度不是由司机的技术水平和操作的熟练程度决定的,而是由设备的速度控制曲线决定,减轻了司机的心里压力。

(2) 无极调速。速度在0~额定速度之间连续可调,调速精度高、范围宽。

(3) 保护齐全。符合《煤矿安全规程》规定的各种保护,有效保证了设备的安全运行。

(4) 基本免维护,使用寿命长。由于绞车的速度和制动是通过电气来控制,这样就减少了闸瓦等机械磨损,可延长设备的使用寿命。

通过上述比较可看出,变频绞车基本解决了电绞和液绞存在的问题,具有一定的应用空间。

2 变频绞车工作原理

某煤矿采用的变频绞车控制系统框图如图1所示,操作台PA发出操作指令信号,传输到PLC,PLC根据轴编码器PC1、PC2及回馈制动LS传送的信号进行内部比较,然后通过软件程序控制变频器进行启动、停车、制动等操作。

AK-控制及监视系统;PA-操作台;HA-开关;VFD-变频器系统;LS-回馈制动;DS-PLC控制回路;PC1-轴编码器1;PC2-轴编码器2

3 变频绞车应用中存在的问题及相应措施

变频绞车在某煤矿取得了很好的应用效果,但在应用中也发现了一些问题,必须采取相应的措施加以解决。

3.1 欠压停机问题及解决措施

煤矿井下往往一条高压线路接入几个大型设备,在变频器正常运行时,当启动其它某个大型设备时,尤其是功率大而且是直接启动的设备时,启动电流很大,使整个供电线路产生很大的压降,导致变频器停机,出现欠压故障。

解决措施:

(1) 把大型设备分别接入不同的线路上。

(2) 尽量采取软启动控制方式,避免大型设备直接启动。

(3) 采用变频器的设备要使用单独变压器供电,不要与其它设备共用一台变压器。

3.2 电磁干扰问题及解决措施

3.2.1 其它设备对变频器的干扰

如果变频器周围存在干扰源,它们将通过辐射或电源线侵入变频器内部,引起变频器控制回路误动作,造成工作不正常或停机现象,严重时甚至损坏变频器。

解决措施:

(1) 在变频器输入侧添加电感和电容,构成LC滤波网络。

(2) 变频器的电源线直接从变压器侧供电。

(3) 在条件许可的情况下,可以采用单独的变压器。

(4) 采用外部开关量控制端子控制时,如果连接线路较长,采用屏蔽电缆。当控制线路与主回路电源均在地沟中埋设时,除控制线必须采用屏蔽电缆外,主回路线路必须采用钢管屏蔽穿线,减小彼此干扰,防止变频器的误动作[3]。

(5) 采用外部模拟量控制端子控制时,如果连接线路在1 m以内,采用屏蔽电缆连接,并实施变频器侧接地即可;如果连接线路较长,并且现场干扰严重,建议在变频器侧加装DC/DC隔离模块,采用频率指令给定模式进行控制[4]。

(6) 采用外部通信控制端子控制时,建议采用屏蔽双绞线,并将变频器侧的屏蔽层接地(PE),如果干扰非常严重,建议将屏蔽层接控制电源地(GND)。对于RS232通信方式,注意控制线路尽量不要超过15 m,如果要加长控制线路,必须降低通信波特率,控制线路在100 m左右时,能够正常通信的波特率应小于600 bit/s。对于RS485通信方式,还必须考虑终端匹配电阻。对于采用现场总线的高速控制系统,通信电缆必须采用专用电缆,并采用多点接地方式,这样才能够提高变频器的运行可靠性[3]。

(7) 变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上应加装防止冲击电压的吸收装置,如RC浪涌吸收器,其接线不能超过200 mm;尽量缩短变频器控制回路的配线距离,并使其与主回路分离;变频器控制回路配线绞合节距离应在15 mm以上,与主回路保持100 mm以上的间距;变频器距离电动机很远时(超过100 m),这时一方面可加大导线截面面积,保证线路压降在2%以内,同时应加装变频器输出电抗器,用来补偿因长距离导线产生的分布电容充电电流;变频器接地端子应按规定在专用接地点可靠接地,不能同电焊机、动力线接地混用;在变频器输入端安装无线电噪声滤波器,减少输入高次谐波,从而可有效降低从电源线到电子设备的噪声影响[5]。

3.2.2 变频器对其它设备的干扰

变频器在工作中由于整流和变频作用,周围产生了很多的干扰电磁波,这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰,而且产生的高次谐波会通过供电回路进入整个供电网络,从而影响其它设备的正常工作。

解决措施:

(1) 采用屏蔽电缆。动力线和控制线都要用屏蔽电缆连接,而且互相之间最好不要平行。如果必须平行时,2个电缆之间的距离不得小于200 mm,小于200 mm时要加接地隔离挡板。

(2) 良好的接地。电动机等强电控制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接地,微机控制板的屏蔽要单独接地。对于某些干扰严重的场合,建议将传感器、I/O接口屏蔽层与控制板的控制地相连。

(3) 给微机控制板或PLC输入电源加装EMI滤波器、共模电感、高频磁环等,可有效抑制传导干扰[6]。

(4) 在变频器输入侧加装EMI滤波器可有效抑制变频器对电网的传导干扰;加装输入交流和直流电抗器可提高功率因数,减小谐波污染。当电动机与变频器之间的距离超过100 m时,需要在变频器侧添加交流输出电抗器,解决因为输出导线对地分布参数造成的漏电流保护和减少对外部的辐射干扰问题。还可以采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法,并将钢管外壳或者电缆屏蔽层与大地可靠连接。需要注意的是,在不添加交流输出电抗器时,如果采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法,会增大输出对地的分布电容,容易出现过流现象[7]。

(5) 对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离。在变频器控制系统设计过程中,建议尽量不要采用模拟控制,特别是在控制距离大于1 m、跨控制箱安装的情况下。因为变频器一般都有多段速设定、开关频率量输入输出,可以满足使用要求。如果不得不用模拟控制时,建议一定采用屏蔽电缆,并在传感器侧或变频器侧端一点接地(一台设备只能在一个点接地,否则会产生不等零电位)。如果干扰仍旧严重,需要采取DC/DC隔离措施,可以采用标准的DC/DC模块或者采用光耦隔离,再采用频率设定输入的方法。

(6) 绞车移动信号系统要采用高频通信方式,避开变频器的干扰频率。

3.3 电抗器发热问题及解决措施

输入电抗器在电动状态下起储能作用,形成正弦电流波形;在回馈状态下起滤波作用,滤掉电流波形中的高频成分。

输出电抗器可补偿变频器与电动机连接的长导线充电电流,从而使电动机在引线较长时能正常工作。输出电抗器能减小电动机端子的du/dt值,抑制变频器输出的谐波,起到减小变频器噪声的作用;可有效抑制变频器的IGBT开关时产生的瞬间高电压,减少该电压对电缆绝缘和电动机的不良影响。

电抗器在使用过程中不可避免会存在发热现象,有些场合发热还十分严重,影响了变频器的正常工作。

解决措施:

(1) 电抗器要单独放置,不能与变频器共用一个箱体,否则会使变频器箱体内部温度升高,严重影响变频器的使用寿命,甚至损坏变频器。

(2) 电抗器箱安装地点要求通风良好。

3.4 提升能力相对减小问题及解决措施

采用变频控制系统的绞车提升系统,由于电动机不再工作在过负荷的工作状态,表面上提升能力不如电绞及液绞,实际情况并非如此。

绞车采用变频控制系统后,由于变频器具有多重保护功能,不再允许电动机过电流,变频器最大输出电流是可以设定的,但最大输出电流也就是电动机额定电流的1.5~2倍,如果电流继续增大,变频器的IGBT就会关断,变频器停止工作,从而保护了电动机,也保护了变频器。而且变频器驱动电动机有着恒转矩的运行特性,在低速或零速时也能产生1.5~2倍的额定转矩,这一特点在绞车运行中十分重要,不但使绞车操作更加方便,也使绞车运行更加安全、可靠。

解决措施:

由于电动机不再工作在过负荷的工作状态,从表面上看提升能力是有所下降,实际上是对电动机起到了良好的保护作用。因此,使用变频绞车控制系统时,要根据提升能力的要求,合理配置电动机和减速器,或者适当加大电动机和变频器的容量以满足需要。

3.5 安装地质条件要求高的问题及解决措施

变频绞车的执行部分主要由电动机、减速器、主轴3个部分组成。减速器与主轴间采用齿式联轴器,它主要由外齿轴套、内齿圈、防尘密封圈等组成;电动机与减速器之间采用蛇形弹簧联轴器连接。因此,变频绞车对安装地质条件要求较高。具体要求如下:

(1) 主轴对安装基准线的位置偏差要求:主轴轴心线在水平面内的位移偏差不大于L/2 000(L为主轴长度,cm);主轴轴心线与提升中心线垂直度偏差不大于0.15/1 000。

(2) 轴承座安装要求:沿主轴方向的水平度不大于0.1/1 000;沿垂直于主轴方向的水平度不大于0.15/1 000;主轴装上卷筒后的水平度不大于0.1/1 000。

解决措施:

绞车房选址必须是地质应力小、地质环境变化不大的位置。在设计绞车安装基础时就要设计精确并保证施工质量;安装绞车时要使用精确度符合要求的测量仪器,确保安装质量,为以后正常使用打下基础。

4 结语

分析了变频绞车在实际应用中存在的问题及相应的解决措施。虽然变频绞车对于安装的地质环境要求较高,不能很好地适应地压大的矿井,但其调速范围广、精确度高、操作方便、高效节能、安全度高等优越性能,是矿井提升绞车的发展方向。

参考文献

[1]夏荣海.矿井提升机械设备[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[2]姚锡禄.变频器控制技术与应用[M].福州:福建科学技术出版社,2005.

[3]王同付.浅析变频器的设计、施工及维护[J].经营管理者,2010(15):394.

[4]贺海清,李红英.变频器干扰探讨[J].自动化技术与应用,2008(8):132-134.

[5]陈飚.变频器常见故障和预防[J].农村电气化,2006(11):22-23.

[6]王德杰.变频器干扰产生的原因及防范措施[J].重型机械科技,2005(3):34-36.

绞车变频提升系统设计 第5篇

1 选择变频器的原因

节能减排“十二五”规划明确规定电机系统节能要采用高效节能的电动机、风机、水泵、变压器等更新淘汰落后耗电设备。对电机系统实施变频调速、永磁调速、无功补偿等节能改造。

1.1 变频调速系统节能机理

绕线式异步电动机转子串电阻调速与变频调速的功率损失比较:

当绕线式异步电动机的转子串入电阻时的机械特性曲线在负载转矩Tl不变的情况下其转速由n01降至n2其损失功率P=Tl (n01-n2) /9500

采用变频调速绕线式异步电动机的功率损失:

当电机在变频调速后, 调速到n2时的人为特征曲线与原电动机的固有的特征曲线是一族平行的曲线, 在不同的转速情况下转差率大致相等, 在负载转矩Tl不变的情况下其功率损失P=Tl (n02-n2) /9500=Tl (n01-n1) /9500 (其中n01》n02)

利用以上两种调速方法在转速相同的情况下, 电阻调速时电机损失的功率全部消耗在转子外接电阻上, 并以热量形式扩散到空中, 能量无法利用白白浪费掉。串入电阻级数越多转速下降越明显, 绞车电机机械特性就越软, 即能量损失越大。电机调速能量损失在整个电机损失功率中所占比重也越大。变频调速能量损失与额定工频转速的损失的能量大体相等。并且现在的矿用变频器都有电源反馈单元, 在绞车下放重物时它可将下放重物的重力势能转化电能反馈给电网, 进一步节能。这两种调速方法相比, 变频调速的能量损失较小, 节能效果十分明显。

1.2 变频器保护齐全运行高效

变频器保护齐全。与原来电控系统相比较, 变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能。现代的矿用变频器的除了具有传统的保护等功能外还具有模块保护、软件自检保护、和接收外部故障信号的保护。这就更加高效地保护了电机。大大降低了电机的运行管理成本。原电控改用变频调速装置后, 可对电机实现软启动, 启动时电流一般不超过电机额定电流的2倍, 对电网及减速器无任何冲击, 电机及联轴器、减速器使用寿命得到延长。

2 电动机的拖动系统的选择与计算

2.1 电动机及变频器的选择原则

2.1.1 电动机的选择。

根据企业经济状况同时本着节约的理念还使用原来的绕线式异步电动机。2.1.2变频器的选择原则。因提升绞车属于变化负载故变频器的容量适当大一些, 以大于电机容量一档为宜。由于提升绞车对动态响应性能要求极高因此变频器需要采用带速度反馈的矢量控制且能够进行四象限运行的控制方式。

2.2 变频器的容量计算原则

2.2.1 变频器电流计算如下:

Ion>Ig*/Kg

Ion———变频器额定电流

Ig———电动机在额定工频电压下的堵转电流。其电流为额定电流的两倍。

Kg———变频器允许过载能力1.5

2.2.2 变频器总控开关的选择

a.变频器过载保护的整定如下:

Iq= (1.3~1.4) *Ion

b.过流保护

变频器投空载用时对电容充电电流可达变频器额定电流2至3倍, 故变频器过流整定如下:

Iq= (2-3) *Ion

具体整定值根据生产实际调整。

3 变频器安装时注意事项

3.1 变频器室的布置

变频器的干扰信号的大小与受干扰控制线路和干扰源的距离成反比, 有资料表明如果受干扰的设备及控制线路距离干扰源距离大于等于30CM则干扰信号强度将降低 (1/2~2/3) 。因此变频器以单独布置为宜, 在原绞车房外新盖变频器室。变频器室宜设在阴凉处, 其窗户尽量避免在阳面。变频器室应采用钢构架彩钢苯板保温。地面铺设防静电的地板。变频器室还应预留通风机安装孔、进风孔。门采用金属防盗门, 窗户外采用金属防盗网。出风孔、进风孔外安设金属网。这样可防小动物进入变频器室, 防止对各类线缆的啃咬, 又可有利变频器室的通风。同时钢构架彩钢房对辐射性的谐波起到一定屏蔽作用。

3.2 变频器谐波处理

3.2.1 在变频器的电源侧、负荷侧需接入电抗器, 它可使输入电流的波形得到极大的改善。

在提高功率因数的同时, 也可同时减弱变频器输出侧电流中的高次谐波对其他设备的干扰。3.2.2变频器电源线、负荷线、各控制小线都必须采用屏蔽型电缆。3.2.3尽量选择短路阻抗大的的变压器。

3.3 变频器的接地的注意事项

3.3.1 变频器的接地系统应与工频设备的接地系统分开布置。

即变频器接地系统在变频器室内。工频设备的接地系统在绞车房内。两个系统的主接地极相距必须大于5米。其中变频器的接地母线要比其他设备的接地母线适当粗一些, 接地地点尽量与变频器近一些。3.3.2变频器室的每块彩钢、钢构架、金属防盗门、金属网及各类穿墙金属管都需电气连接, 并可靠接地。3.3.3两台变压器的接地也需分开布置。

3.4 供电系统的选择

为了保证变频设备与工频设备的供电质量。减少不必要的设备相互间谐波的干扰, 必须采用两台变压器分别向两类设备供电。两台变压器的分别布置在绞车房的两侧, 并且两台变压器的距离最好大于20米。

3.5 变频器的安装及注意事项

3.5.1为了变频器的通风良好安装底座需悬空, 最好离地15cm, 周围和其他的开关设备要大于1000cm。3.5.2变频器的换热风机安装必须在变频器的上方。3.5.3屏蔽层与控制设备的公共端相 (COM) 连接时屏蔽层另一端必须悬空。3.5.4屏蔽线的接线工艺必须符合变频器的使用说明书的要求。

4 结论

全球范围内绿色经济、低碳技术正在兴起。况且矿山电机能耗占全国的总能耗比重大, 因此变频器调速系统更是节能的主力军。国家对各产业结构调整力度不断加大, 煤矿企业对节能减排工作更加重视, 国家对企业的节能减排激励约束机制不断完善, 这些都为节能减排创造了有利条件。

摘要：工矿企业机电设备的节能降耗是企业健康发展的需要, 是人类生存的需要, 本文论述了绞车选用变频器的几个原因, 对变频器的如何选择与计算、谐波的如何预防、接地系统铺设与变频器安装时注意事项进行了阐述。

关键词：变频调速,节能,选型,注意事项

参考文献

绞车变频提升系统设计 第6篇

变频技术是应交流电机无极调速的需求而诞生的。20世纪50年代末, 美国通用电气公司推出电力半导体组件晶闸管 (可控硅SCR) , 给变频技术提供了划时代意义的基础硬件。自可控硅SCR问世以来, 变频技术和变频器产品受到了世界各国的青睐。随着市场需求的增长, 变频技术也日益发展和完善。到了20世纪80年代, 由于电力半导体开关器件和微电子技术的进步, 变频器性能及可靠性提高, 生产成本下降, 其应用开始普及。

由于煤矿的特殊生产环境和安全上的特殊要求, 变频器在煤矿的应用起步比较晚。目前还很少有符合煤矿安全要求的隔爆型变频器产品。变频调速在煤矿空气压缩机、主扇风机、提升绞车、通风机、带式输送机和采煤机上已经应用并取得了较好的效果。由于平煤股份十一矿斜巷液压绞车在使用过程中存在诸多问题, 极大影响了矿井的正常生产。经矿研究决定购置新型高性能绞车替换原液压绞车, 通过到变频绞车厂家和正在使用变频绞车的兄弟矿井进行调研考察, 决定选用ZTK (A) 型变频调速绞车替代液压绞车, 并且在二水平丁6绞车房进行应用。

2 试验地点工程条件

二水平丁6绞车房位于丁6二水平, 提升距离为1024m, 坡度变化不大, 平均为10°, 斜巷提升绞车主要担负提升煤炭、矸石、升降人员、下放物料工具和设备的主要任务。

3 原斜巷液压提升绞车存在的问题

1) 油泵、马达、阀类在使用过程中经常出现卡堵现象, 影响系统正常运行, 严重时造成整个系统失灵, 安全性可靠性差;2) 液压油极易污染, 必须经常更换, 增加使用成本;3) 液压系统阀类易损坏, 更换配件成本较高, 维护费用高;4) 液压系统自身稳定性比较差, 故障率比较高;5) 由于液压系统比较复杂, 当发生故障时, 故障原因不易准确、快速查明, 对维护人员的技术水平要求比较高;6) 液压系统渗漏油现象比较严重, 维护困难, 而且对环境造成了极大污染, 无形之中加大了文明生产的工作量;7) 当液压绞车发生故障时, 查找故障原因和处理故障时间比较长, 更换液压油时必须将系统中的杂质清理干净, 耗时比较长, 这些工作的开展都是以牺牲矿井正常生产为代价, 给矿井造成了极大的经济损失。

4 变频调速绞车的选型

为了使变频绞车满足实际生产要求, 主要从钢丝绳、提升机、电动机、变频器四个方面考虑变调速绞车的合理选型。

4.1 钢丝绳的选取

根据十一矿矿井运输的需要和原斜巷液压提升绞车的提升能力要求, 原设计每钩为五个重车, 现综合考虑整个矿井的运输要求和综采设备的重量, 钢丝绳具体参数设计如下:

4.1.1 钢丝绳长度的确定

运输上山长度为1024m, 根据上、下车场设计线路长度、单滚筒缠绕式提升绞车滚筒预留绕绳圈数设计要求, 同时考虑一定的备用系数, 最终确定钢丝绳设计总长度为1400m。

4.1.2 钢丝绳型号的确定

根据2010版《煤矿安全规程》第400条规定:对于单绳缠绕式提升装置 (升降物料时) , 升降物料时钢丝绳安全系数最低值不小于6.5。钢丝绳的安全系数, 等于实测的合格钢丝绳拉断力的总和与其所承受的最大静拉力 (包括绳端载荷和钢丝绳自重所引起的静拉力) 之比。

1) 钢丝绳型号的初定。考虑到运输上山的设计长度和坡度, 初步确定钢丝绳型号为6×19-φ21.5mm, 其主要参数如表1:

2) 钢丝绳安全系数的验算。最大静拉力的计算。主要从提升重车数量和液压支架两个方面确定最大静拉力。重车、液压支架和平板车与钢丝绳受力状况相似, 以重车为对象进行受力分析如图1所示。

当提升重车时, 考虑十一矿实际的运输提升要求, 每钩提升5个重车能够满足实际生产需要。计算钢丝绳最大静张力时需同时重车和下放钢丝绳重量。最大静张力为:

当提升采煤设备时, 液压支架为最大吨位的单件运输设备。斜巷运输的最大吨位液压支架型号为ZY3600/11/23型掩护式液压支架, 此时, 计算钢丝绳最大静张力时需同时液压支架的重量和下放钢丝绳的重量。

故所选钢丝绳安全系数满足《煤矿安全规程》第400条规定。

4.2 提升机的选取

1) 滚筒直径的设计计算:D=80d=1720mm。

2) 提升机提升能力的确定。提升机的提升能力与最大静张力有关, 因运输上山坡度变化不大, 一般情况下, 重车或液压支架处于运输上山下方时的静张力为最大, 根据以上计算出的最大静张力, 最终选择JKB-3.0/2.2型单滚筒提升机, 其主要参数如表2。

4.3 电动机的选取

1) 电机功率的估算。

2) 电机转速的估算。

根据计算结果选择YB400M-8型绕线式电动机。主要参数如表3。

4.4 选择变频器

正确选择通用变频器对于传动控制系统的正常运行是非常关键的, 首先要明确使用通用变频器的目的, 按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、起动转矩等要求, 充分了解变频器所驱动的负载特性, 决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统, 然后决定选用哪种控制方式最合适。所选择的通用变频器应是既要满足生产工艺的要求, 又要在技术经济指标上合理。选择通用变频器时自然应以负载特性为基本依据, 提升机的负载特性为重力特性, 负载转矩特性为恒转矩。对于升降类恒转矩负载, 如提升机, 这类负载的特点是起动时冲击电流大, 在其下降过程中需要一定制动转矩, 同时会有能量回馈, 因此要求变频器有一定余量。

通用变频器的选择包括变频器的型式和容量。根据控制功链可将通用变频器分为3种类型:普通功能型v/f控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型V/f控制变频器 (也称无跳闸变频器) 和矢量控制高性能型变频器。提升机应选用具有转矩控制功能的高性能型V/f控制变频器。变频器容量的合理选择是使用的关键, 其因素较多且复杂, 要考虑变频器容量与电动机容量的匹配, 容量偏小会影响系统的正常运行, 偏大会增加设备投资。选择变频器时, 只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器, 额定电流是选择变频器容量的基本原则。

综合各因素, 决定选用ZJT-280/600型变频器。

5 ZTK (A) 型变频调速绞车的特点

5.1 主要设备

唐山开诚集团生产的ZTK (A) 型变频调速绞车主要设备由供电变压器、低压馈电开关、输入滤波器、变频器、PLC控制箱、司机操作台、轴编码器等附件、配套设备如电机及相关机械设备组成。

1) 滤波器箱, 包含滤波用输入电抗器, 根据系统配置不同, 一般每套系统具有一台或多台输入滤波器。对于大功率的系统, 还可能配有输出滤波器。

2) 变频器, 是绞车变频调速的核心, 其内部由整流和逆变两部分组成。

3) PLC控制箱, 包含两套PLC系统。PLC1用作主控系统, PLC2用作监控系统。

4) 绞车司机操作台, 用作绞车运行过程控制和绞车运行状态、故障状态的监测。

5.2 绞车控制系统

绞车控制系统如图2所示。

5.3 ZTK (A) 型变频绞车的优点

1) 宽电网电压:±20%电网电压, 能够适应不同的电网状况;

2) 全新的双CPU硬件控制平台, 控制性能大幅度提升;实现恒转矩提升, 不会因为网波动影响负载提升情况;

3) 带负载能力强, 启动力矩大, 可达额定转矩的2倍, 实现了电机的软启动;

4) 可以实现电机无级调速, 电流冲击小, 加、减速过程平滑, 大大减轻了机械冲击的强度;

5) 过载能力强, 下放重物安全可靠;

6) 易于与外部控制设备接口相结合, 实现现场灵活的控制方式;

7) 采用能耗制动、回馈制动或超级电容吸收技术, 成功解决了位能负载在快速、减速或急停时的再生发电能量处理问题, 保证了变频器的安全运行;

8) 电气系统控制提升机启停, 机械制动闸只在提升机停止后才使用, 制动闸几乎没有磨损, 节省了昂贵的维护费用;

9) 节能效果显著, 节省总能量可达到35%, 尤其是在低速段节能效果十分明显。

6 现场应用

在二水平丁6绞车房进行ZTK (A) 型变频绞车安装和调试, 通过一个月的调试试验, 绞车运行稳定后正式投入使用。变频绞车正常运行半年后, 矿组织专家人员对变频绞车的运转情况和各方面性能进行了综合分析和评价, 一致认为变频绞车运行状况良好, 对保障斜巷正常运转和实现节能减排具有重大的意义。2010年10月, 平煤股份十一矿又购置一台变频绞车用于己二东翼斜巷提升, 并且决定相继对己2斜巷绞车、丁2斜巷绞车、丁6斜巷绞车、空气压缩机和局部通风机等设备进行改造, 以实现矿井高产高效、低损耗、低成本、安全快速发展。

7 结论

1) 液压绞车由于故障率高、维修频繁且耗时长, 逐渐被高性能绞车所替代。

2) 变频技术使交流电机实现无极调速, 可在煤矿得到广泛的应用。

3) 十一矿购置了ZTK (A) 型变频绞车, 在二水平丁6绞车房进行调试试验并且取得了成功, 将将变频绞车应用于其他斜巷提升。变频绞车无级调速、故障率低、运行平稳等显著优点保障了斜巷运输的正常运行, 为矿井的正常生产打下了坚实的基础。变频绞车的应用为矿井节约了大量的电力资源和资金。

摘要：平煤股份十一矿斜巷提升使用液压绞车过程中存在诸多问题, 影响矿井的正常生产, 改用变频调速绞车后, 故障率急剧下降, 获得良好的运行效果, 并在压缩机、局部扇风机等设备上应用变频调速技术改造, 实现矿井高产高效、低耗能、低成本。