变频调速技术在矿井提升机中的选型和应用

1、2009年第4期能源技术与管理变频调速技术在矿井提升机中的选型和应用蒋小平,马勇(徐州矿务集团张集煤矿,江苏徐州221147摘要介绍了矿井提升机的工作情况和控制过程,从理论上分析了提升机变频调速和节能的基本原理。通过实例介绍了矿井提升机变频器选型的方法,以及参数的设定。关键词变频器;变频调速;提升机;节能中图分类号TD679文献标识码B文章编号1672蛳9943(200904蛳0129蛳020引言目前矿井提升机普遍使用交流绕线型电机转子串电阻调速控制系统,提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差,特别在负载变动时很难实现恒减速控制,经常会造成过放和过卷事故;提升机频繁地启动和制动会使转子串电阻

2、调速产生相当严重的能耗;转子串电阻调速控制电路复杂,接触器、电阻器等容易损坏。而变频调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制,防止提升机过卷和过放事故的发生;变频器的调速还可以实现电动机的软启动,消除转子串电阻造成的能耗,具有十分明显的节能效果。因此,变频器在提升机调速系统中有十分广阔的应用前景。1提升机变频调速原理矿井提升机是在繁重而又复杂的条件下进行工作的设备。因此,要求提升机的拖动装置能适应频繁启动、停止、调速及换相,并能实现重载启动,在保证提升设备的安全可靠的情况下,按照设计的提升速度图工作。提升设备在一个提升循环内的运行规律是用提升速度图来表示的,如图1表示提升速度与提升时间变化的

3、关系。提升容器按其结构可分为罐笼、箕斗、矿车及吊桶四种。竖井提升中常用的是普通罐笼和底卸式箕斗。这里以罐笼提升为例进行提升设备的运动学计算。如图1所示的五阶段速度图:t1为主加速阶段运行时间,此时加速度a1较大,速度一直从0加速到最大的m;t2为等速阶段运动时间,即容器以最大提升速度m等速运行的时间;t3为主减速阶段运行时间,即容器以最大提升速度m减速运行的时间;t4为爬行阶段运行时间;t5为抱闸停车阶段时间;为休止时间,即装卸载时间。提升机变频调速系统主要由变频器、行程控制、操作控制、能耗制动和抱闸制动等组成,如图2所示。变频器主要对提升机升降实现变频调速;行程控制主要对提升机变速、停车和制

4、动进行精确的行程控制;操作控制主要完成提升机的提升启动、下降启动、故障复位及紧急制动等操作控制;能耗和抱闸制动主要实现提升机停车控制1,2。图2提升机变频调速示意图在提升机系统的应用中,变频器主要进行恒加速变频调速启动,恒减速变频调速停车及行程变频调速运行等变频调速。变频调速是通过改变电动机输入电源的频率来调节电机转速的,因此调速范围很宽,一般都可以达到0400Hz,频率图1提升速度图doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2009.04.0531292009年第4期蒋小平,等变频调速技术在矿井提升机中的选型和应用调节精度一般为0.01Hz。变频器调速有别于转子串电阻调速,降

5、低了转差率,提高了电路的功率因数,可以恒转矩输出,输出功率随转速变化,因此具有很好的节电效果。2提升机的基本参数本课题是参照1.2m矿井提升机的相关参数进行变频器的选型计算3。该类型提升机的基本参数为:最大静张力差20kN,最大速度2m/s。以最大提升高度H=300m,最大提升速度v m=2m/s,计算出提升速度图中的参数值:t1=4s、h1=4m、t3=3.2s、h3=4m、h2=289.6m、t2=144.8s、t4= 6s,=15s、T x=173s。3变频器的选型3.1通用变频器的选择通用变频器是指可以用于交流电动机调速控制的变频器,特点是具有通用性,并具有智能化特征。通用变频器分为交

6、-交和交-直-交两种形式,这里的通用变频器主要讨论交直交变频器。通用变频器的选择包括通用变频器的型式选择和容量选择两个方面,选择的原则是:首先其功能特性能保证可靠地实现工艺要求,其次是获得较好的性能价格比。通用变频器根据控制功能的不同,可以分为三种类型:普通功能型U/f控制变频器,具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器和矢量控制高性能型变频器。对于本课题研究,可以采用具有转矩控制功能的高功能U/f控制通用变频器。通过对变频器容量的计算可知:P CN73.5kW;I CN125.4A对于短时加减速而言,由于电流脉动原因,应将要求的变频器过载电流提高10%后再进行选定,即将要求的变频器容量提高

7、一级。3.2工作频率范围的选择根据本课题的研究,初取减速器的传动比为22.4。最低工作频率如表1所示。表1最低工作频率当工作频率高于额定频率时,其有效转矩具有恒功率的特点。这实际上也说明了在fX>f N时,变频调速的负载率为:=TLTN=nNnX=fNfX=1Kf式中,Kf=fmaxfN是取fX=fmax得到的。也就是说,允许的负载率是和最高工作频率的大小成反比。所以,在此负载率下的最高工作频率fmax=67Hz。电动机的转速范围:n m ax=712r/minn m ax=143r/min工作频率范围:fmax=48.1Hz<67Hzfmax=9.7Hz<8Hz在负载率为7

8、5%时,调速范围为:67/8=8>(=5即工作频率在允许范围内。考虑经济性及其性能情况,选用成都希望森兰变频器公司的SB40系列高性能通用变频器,具有转矩提升,转差补偿功能,使用贴片元件改善电气性能,减少干扰,使用温控风机延长风机寿命,并有旋纽调频机种可供选用。根据上面变频器容量的计算选用额定容量为99kVA,额定电流为150A的变频器。该变频器可以承受过载电流为额定电流的150%min。在选定了变频后,根据需要选择与变频器配合工作的各种周边设备。外围设备通常是选购配件,分常规配件和专用配件。3.3森兰变频器参数设定在功能参数设定之前,先做如下计算:按照前面的提升速度图,加速时间为4s,

9、减速时间为3.2s。则当提升速度为2m/s时,提升加速度最大为0.5m/s2,提升减速度最大也为0.5m/s2。下面无论要求设定速度是多少,均按照4s加速, 3.2s减速计算。即,总是从低速经过4s加速到要求的速度,从高速经过3.2s减速到0.4m/s的爬行速度。根据SB40相关功能,下面计算七段速度所对应的变频器输出频率:当提升速度v=2m/s时,由上面计算可得变频器需输出频率为f=48.1Hz;当提升速度v=1.8m/s 时,f=43.4Hz;当提升速度v=1.6m/s时,f=38.5Hz;当提升速度v=1.4m/s时,f=33.7Hz;(下转第135页控制模式最低工作频率/Hz允许负载率

10、/%无外部通风有外部通风有反馈矢量控制0.175100有反馈矢量控制580100 U/f控制15055 1302009年第4期(上接第130页当提升速度v =1.2m/s 时,f =28.9Hz ;当提升速度v =1.0m/s 时,f =24.1Hz ;当提升速度v =0.8m/s 时,f =19.3Hz ;当提升速度v =0.4m/s 时,f =9.6Hz 。然后按照计算的参数对SB40变频器进行设定。在实际的应用中许多参数的设定并不是绝对的,可以在一定范围内根据实际情况调整。4结语变频器在提升机系统中的应用可以很好解决调速和启动问题,而且具有十分明显的节能效果,有很好的应用和推广价值。参考

11、文献1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,2005.2毋虎城,裴文喜.矿山运输与提升设备M .北京:煤炭工业出版社,2004.3夏荣海,郝玉琛.矿井提升机械设备M .徐州:中国矿业大学出版社,2003.作者简介蒋小平(1982-,男,甘肃文县人,助理工程师,2005年毕业于贵州大学机械制造专业,现工作于徐州矿务集团张集煤矿运输工区。收稿日期:2009-03-17杨金宏封口盘井盖门自动开启的改造3工作原理说明(1自动开起。当绞车上提吊桶等物件进入减速点位置时,绞车深度指示器丝杆螺母触杆触闭减速继电器J 1,J 1常开点闭合(随即又断开,时间继电器KT 得电,速闭延开点KT

12、 1闭合,绞车测速回路正向继电器常开点ZJ 1闭合,反向继电器FJ 1常闭点保持闭合,中间继电器1ZJ 得电常开点1ZJ 1闭合,接触器ZM 得电闭合,井盖门自动开起。(2定位闭锁。当井盖门开起到位,位置开关WK 1、WK 2闭合,继电器3ZJ 得电,常闭点3ZJ 1、3ZJ 2、3ZJ 3断开,ZM 失电,井盖门停止开起,如此时再按ZQ ,手动开起不起作用,实现了自动与手动闭锁。(3定时保护。时间继点器KT 延时断开时间将根据现场井盖门开起情况设定为5s 。当井盖门开起到位后,如WK 1或WK 2失效,3ZJ 依然保持闭合时,KT 线圈5s 延时后断开,1ZJ 断电,1ZJ 1常开点断开,Z

13、M 断电停止开起,防止井盖门拉毁。(4手动开起。信号工手动控制井盖门开起时,2ZJ 得电;常开点2ZJ 1闭合,接触器ZM 得电,井盖门开起。开起到位后,WK 1、WK 2闭合,3ZJ 得电,常闭点3ZJ 2断开,2ZJ 失电,ZM 失电,井盖门停止开起。(5手动自动互锁。信号工手动开起井盖门到位后,绞车上行至减速点(约离井口50m 位置,虽然深度指示器触杆触动J 1闭合,但此时常闭点3ZJ 1断开,时间继电器KT 不能得电动作,实现了手动与自动功能闭锁。4使用情况从袁店项目部现场使用情况来看,非常有效。袁店项目部积极加强信号工的教育和监管,在生产过程中没有发生信号工疏忽操作的情况,但该项目部每天坚持试验自动开起功能,未发生一起误动作,实现了100%的有效开起。井盖门自动开起改造仅作为信号工精力不集中、疲劳等主因可能引发的个体不安全行为,而导致绞车上行时,未及时打开井盖门的安全补救措施,是人工操作的后备操作功能。平常施工时,必须优先立足于信号工的主动操作。5改造特点及意义吊桶上行至减速点(离井口约50m 自动开起,克服了人为不安全行为,从设计上满足了本质安全要求;实现了手动和自动的选