提升机的节能变频调速控制技术

1、提升机的节能变频调速控制技术    1  引言     目前矿用提升机普遍使用交流绕线式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;提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻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，绕线电机电刷等容易损坏，影响生产效益。针对串电阻调速系统的这些问题，本文介绍变频器在提升机调速系统中的应用。变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，能很好的防止提升机过卷和过放

2、事故发生;变频器的的调速还可以实现电动机的软启动，取除了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果;变频器调速控制电路简单，克服了接触器，电阻器，绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生;变频器灵活的调速控制便于实现提升机的多段速控制，能防止叉道和弯道脱轨事故;因此，变频器在提升机调速系统中的应用有十分广阔的前景。 2  提升机变频调速系统的结构    图1      提升机变频调速系统示意图     图1所示，提升机变频调速系统主要由变频器;行程控制

3、;操作控制;能耗制动和抱闸制动等组成，变频器主要对提升机的升降实现变频调速等;行程控制主要对提升机的变速，停车和制动等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;能耗制动和抱闸制动主要实现提升机停车控制。 2.1 变频调速    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，一般变频器基本上都可以达到0400hz，频率调节精度一般为0.01hz，可以很好的满足提升机的恒加速和恒减速无级

4、调速的要求，所以，采用变频器后，电机可以实现真正意义上的软启动和平滑调速。变频器调速有别于转子串电阻调速，降低了转差率，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。另一方面，变频器还可通过软件，    很方便地改变输出转矩(即调整转矩补偿曲线)和加减速时间、目标频率、上下限频率等。变频器还具有强大的兼容功能，并根据使用要求进行功能组合、参数设置(修改)和动态调速。变频器也可通过端子排控制，对行程进行多段速度控制。图2为变频器恒加速和恒减速调速过程示意图，加速和减速过程可以灵活的调节，这种调速方式对防止提升机的过卷，过放，脱轨等

5、都是十分有利的。    图2    恒加速和恒减速调速过程示意图 2.2 行程控制    图3是提升机提升和下降过程示意图，行程控制分为2个过程，一个为正向提升行程，另一个为反向下降行程，行程控制主要将提升机的升降过程划分成不同的行程区间，根据每一行程区间的实际情况，可以用不同的变频调速控制提升机的升降速度，行程控制不仅控制提升机整个升降行程过程的变频调速，而且控制提升机的停车和制动过程。行程控制可以很好的防止提升机过卷，过放，脱轨和翻车等事故发生，特别适合具有弯道和叉道的特殊斜井。行程控制是根

6、据提升机的升降位置(行程区间)实施控制，行程控制器将行程位置转换成开关信号，如图1所示，通过变频器的控制端子进行多段速变频控制，停车控制和制动控制等。2.3 制动控制    提升机的安全使用必须要有良好的制动和制动控制系统，制动一般采取能耗制动和抱闸制动相结合。能耗制动主要利用提升机的惯性在减速和下降行程所产生的再生能量进行制动，变频器使用能耗单元实现能耗制动，这是一种软制动形式，能很好的防止机械冲击和快速下滑。为了防止滑车等事故，使用抱闸对提升机实施抱死制动，抱闸制动一般在停车时使用，当运行到停车位时，行程控制器对变频器发出停车信号，同时，对抱闸制动器发出抱闸控

7、制信号，实施抱闸制动，当发生脱轨等事故时，操作控制实行紧急抱闸制动。3.1.3引线短路的故障排除方法 成型密封工艺对引线短路与成型流程机理间的有着十分重要的关联。就引线位置而言，加压成型的流动方向会对引线的偏距造成一定的影响。    必须对相关的成型参数进行成型表征并对其加以识别。根据研究结果，可以将成型转移压力做为一个重要的影响参数进行考虑，对其进行表征以获得最佳值和较高的安全允许范围。 解决方案：考虑了三种实验设计方案：环路参数表征、与交叉引线技术相结合的环路类型选择、优化成型转移分布。 环路参数表征： 我们采用现有的材料、引线键合设备、成型工艺和条件对10条

8、引线进行了实验，以确定引起引线短路的最大环路参数。 主要考虑了三种成型参数：第一种是转移压力，第二种是停顿时间，第三种是转移速度。上述全部参数，在其改变前后都进行了收集和监测。 必须研究用交叉引线技术对引线键合环路参数进行表征的结果与成型转移分布之间的相互关系以获得最佳的工艺参数。同时还要衡量运用交叉引线技术的效果。 采用交叉引线技术时对引线键合环路类型的选择对正常环路型和梯形环路型两种环路类型进行了考虑并对两种类型加以比较。因为梯形环路中形成的第二个扭结的特点非常适合作为额外保护结，用以防止成型流动效应引起的引线偏差，因而我们选择了梯形环路。为了提高引线键合的效率，使用交叉引线技术。首先要从

9、修改参数上实现一个目标，即同一个接地引脚中的每一条引线不会导致任何的短路机理，每一条引线都得到相互支撑而不是只支撑孤零零的一条引线，这种方法具有一个重要的优点，再与交叉引线布局方法相结合就可以解决引线短路本身的隔离问题。双引脚交叉引线产生的严重的引线弯曲结果说明，引线平均摆动最低，在结果一定的情况下，我们选择了采用交叉引线技术的双引脚作为这两种方法中较好的引线布局设计。 对转移压力和时间进行调整和优化之前和之后都要进行上述分析。对这些参数完成优化之后，即可发现转移参数分布会有所改善，而且就引线偏差而言最终产品的质量还会有所提高。我们发现采用交叉引线技术与优化成型转移参数分布相结合的方法可以彻底

10、消除由成型工艺流程影响而导致的引线短路现象。 3.2高温厚铝溅射时柱状突起故障诊断与排除 本节介绍了高温厚铝溅射（Al sputter）时柱状突起缺陷（whisker defect）的产生原因，针对影响柱状突起缺陷的各个因素，进行分析诊断，数据化各因素的影响程度，找出最大的影响因素，实现了一种在现有的设备条件并保证产品质量的前提下，以最小成本控制和优化铝柱状突起缺陷的方法。 溅射法是在半导体制程焊接中用于铝互连线淀积的最主要方法，基本原理：在工艺腔中形成等离子体环境，用带正电的气体离子氩轰击靶材，把动能直接传递给靶材原子，从而使靶原子逸出，淀积在衬底材料上的物理化学过程。氩不断轰击靶材，靶原子

11、不断淀积在衬底材料上，在此过程中会产生大量热量，从而导致工艺腔升温，工艺腔需要有良好的温控系统。在某一制程中，由于大电流通过的要求，顶层金属铝需要加厚到一定厚度，溅射时温度设定为300，在现有的工艺条件下，连续溅射淀积如此厚的金属，在铝溅射完成后产生大量缺陷，由于此种缺陷目视时为沿铝晶粒边界的柱状突起，定义此种缺陷为铝柱状突起缺陷（Al whisker defect）。质量与成本在生产过程中永远是对立统一的两面，寻求两者的平衡是工业化的基础。在设备成本增加最少，设备生产效率影响最小的前提下，控制和排除铝柱状突起缺陷，使得其对质量无影响，是本节讨论的目标。 3.2.1铝柱状突起缺陷形成诊断分析

12、某产品在风险量产时，顶层铝刻蚀后在线缺陷检测发现大量缺陷，全数检测此批次产品所有硅片，所有硅片都缺陷超标。生产线停止，设备检查，并对生产线上其它产品进行缺陷检测，未发现缺陷超标，初步判断只是此批工艺产品缺陷超标。针对此问题进行分析定位。    图3.6铝溅射后显微镜下的照片                  图3.7铝溅射后扫描电镜下的照片 图3.8铝刻蚀后显微镜下的照片   

13、                  图3.9铝刻蚀后电镜下的照片 3.2.2缺陷的分析、定位过程顶层铝刻蚀完成后在线检测发现大量缺陷，显微镜下目视为小黑点（图3.8）。扫描电镜观察为柱状突起刻蚀残留（图3.9），进行成分分析，确定残留物的主要成分为铝。对铝刻蚀前可能产生缺陷的工艺步骤进行分析，设备状态确认,增加在线检测，寻找缺陷的来源。顶层铝溅射后在线检测发现大量缺陷，显微镜下目视为小黑点（图3.6），扫描电镜观察为柱状突出（

14、图3.7），跟踪此缺陷，在铝刻蚀后此缺陷表现为柱状突起刻蚀残留（3.9），确定缺陷为铝溅射产生。检查工艺设备历史记录，未发现异常。同一工艺腔进行重复试验，检测到缺陷。用其它设备的同样工艺腔重复试验，检测到缺陷。判断与此制程产品的铝溅射工艺有关。追加扫描其它层次铝溅射，未发现同样缺陷。进行不同厚度铝溅射，薄铝条件时未发现缺陷，厚铝条件时缺陷数量增多。判断此种缺陷的产生与铝厚度有关。 3.2.3工艺条件对铝柱状突起缺陷的影响分析 在上面的分析中已确定了铝柱状突起缺陷的产生原因：温度积累产生应力释放。在工艺过程中影响温度的原因有很多：溅射压力、功率、溅射速率、铝厚度、工艺腔真空度、加热台温度设定和靶

15、材寿命等。现在我们需要在这些条件中找出对缺陷影响最大的因素。 工艺条件比较：通过对溅射时每一片硅片的工艺参数比较（溅射功率、工艺腔真空、压力条件、溅射实际时间和溅射稳定时间等），一个批次溅射时第一片硅片和最后一片硅片工艺条件无差异。 设备条件比较：通过对每一片硅片工艺时的设备参数比较（硅片进入工艺腔前后的真空度比较、冷却水流量比较、工艺腔加热台温度设定比较等）发现工艺腔加热台温度第一片硅片和最后一片硅片存在差异，使用温测硅片（TC wafer）测量发现不同硅片间有20以上的差异。    温度是产生铝柱状突起缺陷的最主要因素，之所以缺陷数量随溅射硅片数量的增加而增加

16、是由于连续溅射，溅射时的等离子体连续轰击工艺腔，造成工艺腔加热台温度由于散热效率不够而升高，溅射的越多，温度越高，缺陷数量越多。3.2.4铝溅射时温度变化分析 铝柱状突起缺陷产生原因找到，影响最大的因素“温度”也找到了，现在的问题是如何控制“温度”。为了不降低设备生产效率（改变工艺条件，降低溅射速率也可以有效控制温度，但严重降低设备效率），我们从分析分析工艺腔的构造入手，寻找控制硅圆片“温度”的方法。 3.2.5硅片热源的诊断分析 溅射时的等离子体轰击，使硅片升温的主要因素。硅片加热台（wafer heater）的加热作用（使硅片保持在一个稳定的温度状态），工艺时间较短时，加热硅片，但在此工艺

17、中，硅片由于等离子的轰击作用产生的升温，远高于加热台加热的升温，此时加热台起降温作用。3.2.6硅片散热方式辐射散热，但工艺腔为高真空，效率很低。通过热传导散热：（1）加热台热传导：在加热台下方有冷却水循环，以保证加热台能够在设定的温度范围内（/- 10）。我们的工艺腔是普通爪式夹具加热台（Clamp heater），控温能力有限，在高温厚铝溅射时对温度的控制很差（设备供应商处已有静电吸附式加热台）可以有效的控制温度，但成本高）。（2）直接接触硅片的爪式夹具（Clamp）通过与其它部件的接触，热传导散热：在此工艺中爪式夹具也被等离子体轰击，并且材质为金属，受等离子体轰击的面积也大，升温很快，实

18、际对硅片起加热作用。 3.2.7 8028型焊线机的工艺腔控温方式工艺腔主体有独立循环冷却水，温度可以得到很好的控制。靶材部件有独立循环冷却水，温度可以得到很好的控制。加热台有独立循环冷却水，但在此种长时间的工艺过程中，本文中设备使用的普通爪式夹具加热台（Clamp heater）无法有效控制硅圆片温度。爪式夹具及其接触部件Clamp，无循环冷却水，完全依靠本身材料散热，温度控制差。 3.2.8故障排除办法 给爪式夹具及其部件降温是我们现在可行的方法。成本最低是我们的目标，设备人员动手改造工艺腔给爪式夹具部件中的适配器添加一路循环冷却水,通过热传导作用，降低爪式夹具部件温度，从而给硅片降温。为了确认爪式夹具部件增加循环冷却水后对铝柱状突起缺陷的影响，比较增加前后的两个批次（试验条件：连续溅