转子变频技术在矿山提升机中的应用

1、转子变频技 术在矿山提升机中的应用摘 要 采用PLC控制的转子变频技术解决继电器和接触器控制的 TKD电控技术所产生的故 障率高，动作不可靠，能耗高、效率低、噪声大等突出问题。关键词 PLC 转子变频技术 节能 安全一、项目背景 矿井提升机承担矿物的提升、人员的上下、材料的运送等任务， 是矿山大型关键设备， 而其电控系统更是关键中的关键， 它的技术性 能和可靠性直接影响煤矿的安全生产和经济效益。 十矿西风井主井提 升机安装于建井初期，已经运行多年，产品属于仿苏设计，生产日期 为 1958 年，主机采用角移式制动闸已不符合煤矿安全规程规定要求。同时西风井主井电控系统为 TKD 电控， TKD 电

2、控上世纪 60 年 代开始使用于地面绞车和井下暗斜井绞车上， 其已被国家安监总局列 为“禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（第二批） ”中，其原因主要 有以下几点：1. 故障率高，动作不可靠，接触器触头易烧损，安全性差。2. 能耗高、效率低、噪声大。为此，我们必须通过技术改造来满足新要求， 通过详细技术论证与调 研，为节约有限资金，在更改主轴装置的同时，采用转子变频技术实 现提升机更新。二、转子变频优点与技术原理 转子变频调速是将成熟的低压变频技术应用于高压电机调速的 一项最新科技成果， 其融和了当代最先进电力电子技术、 交流调速技 术、微机控制技术，特别是其独有的以转子控制定子、以低压控制高

3、压技术，使其在众多风机和水泵以及提升机高压大中功率电动机的调 速方案中独树一帜，具有其它调速方案不可替代的优越性。中高压电机，主要为三相异步电动机，包括鼠笼型和绕线型，高 效率的调速方式有两种， 即定子侧变频和转子侧变频。 定子侧变频也 叫高压变频，普遍应用鼠笼型电动机，其性能较好，但因为系统直接 接高压电网，所以技术复杂、体积庞大、可靠性较低、价格昂贵。转 子侧变频调速也叫转子变频调速， 使用绕线型电动机，将变频调速基 本原理应用于转子侧，因为转子侧使用低电压，所以技术复杂度降低、 体积大为缩小、可靠性高、价格适中。1. 转子变频的优点 可以用4001000V低压变频器来控制610kV中压电

4、动机 的转速。 所需逆变器的容量较小，仅为电动机功率的 20%30%，由 于转差功率回馈至电网（或电动机），故能大大节约电能，可达30% 以上。 原理结构简单，使用的低压IGBT的数量远远少于10kV定子 侧中压变频装置的中压IGBT，无须配置大容量电抗器，故障率大为 降低。 与普通串级调速相比，功率因数较高，谐波较小。若采用IGBT 逆变器，则无5、7次谐波。2. 转子变频的工作原理大容量的异步电机，根据电机转子结构的不同分为鼠笼式和绕线 式两大类。异步电机的转速和功率的关系为：Pm = B - Ps = 口（1 一 S）n = q _n2 = n/l _s）式中，sf - n）/n为转差率

5、；P1为电机定子输入的电磁功率；Pm为电机轴输出的机械功率；Ps = SP1为转子电路的转差功率。ni = 60fi/p是定子电流产生的定子磁场的转速，也称同步转速；ns = sn1 = 60f2/p是转子电流产生的转子磁场的转速。 因为ns=n1 n,所以ns也称作转差速度电机轴转速n = n -足=(f - f2)60/ p这里，p为电机的磁极对数。显然，电机的转速是由定子绕组电流频率 fi和转子绕组电流频率 f2共同决定。改变定子电流频率fi和改变转子电流频率f2都能改变电 机轴转速。鼠笼式电机，转子绕组在内部闭合，在电磁感应的作用下产生转 子电流，转子电流频率f2由转差速度决定。若要人

6、为改变电机速度， 只能通过改变定子电流频率fi来实现。由于鼠笼式电机仅能从定子输 入电功率，所以变频调速需要的变频器容量不能小于电机功率。绕线式电机，转子绕组通过滑环和电刷引到电机外面， 构成转子 回路。以往是在转子电路中接入起动电阻， 用来增大起动转矩和减小 起动电流。现在是将转子变频器串接在电动机转子回路中，定子电流频率fi不变，强制改变转子电流频率f2，于是构成转子变频调速运行 方式。由于转子变频器接在转子回路，涉及的是转差功率Ps。转差功率的大小为Ps = sPi,与转差率s即速度变化范围有关。转子变频 需要的变频装置功率不会超过电机额定功率的 30%。在转子变频调速的运行过程中，变频

7、器的微处理器 CPU采集电 动机运行时转子电流、频率和电压信号，处理后给晶闸管交 /交变频 器发出控制指令。晶闸管交/交变频器将工频电源变为和转子电流同频率的电源， 加在电机转子回路中，改变转子电流的频率，从而改变电机的旋转速 度。变频器在改变频率的同时，还可以改变转子电流和转子电压的相 位关系，进而通过磁场改变电机定子电流和定子电压的相位关系，提高电机自身的功率因数。电机自身运行的功率因数提高，电机定子电 流下降，电机自身的铜损和温升降低，电动机的过载能力增大，电机 的运行状况得到改善。可使电机综合功率因数提高到0.93以上，无功功率降低60%，可降低电机定子电流10%20%，节约线损铜损2

8、0% 30%因此，咼压电机米用转子变频调速方式，不必安装用来无功补偿 的高压电容，就可以实现比安装高压补偿电容还要优越的无功补偿效 果。4.转子变频的接线图42CKV/醴流变输出* b -1 F-,-r丄1 L J “2 1a"E | m |1辛-RBUII如I时1?甲元逆吏单元I咼压换向柜I一由接线图可知，转子变频由整流变压器、整流 /回馈单元、逆变 单元以及信号等部分组成。将6KV绕线电机定子短接，向转子提供0 50Hz变频电源。选用西门子公司6SE70系列逆变器+整流回馈装 置，具有调速范围广，调速精度高，调速性能好的特点，当提升机运 行于负力状态时，变频器自动向供电电网发电，

9、使电动机处于发电回 馈制动状态工作，运行平稳，而且节省了大量的电能。三、经济效益分析1.直接经济效益 避免了购买变频电动机的资金，直接节约 20万元左右。 节省了安装新电动机所需的人工与改变电动机基础所需的资 金大约10万元左右 十矿西风井主井现主要是下放物料，提升矸石。原切电阻系 统电耗主要在转子电阻上， 现变频后下放重物时可全反馈电网， 按节 电 20% 计算，去年主井全年电耗为 75 万元左右，全年可节电 15 万 元左右。2.间接经济效益 司机操作更加合理，采用变频技术后，司机根据需要操纵主 令控制器就可使提升机平稳加减速， 一般不需要工作闸配合， 使操作 简单方便。 由于采用全反馈下

10、放重物， 下放重物时系统向电网反馈电能， 该节能效果无法具体计算。原切电阻时电能均消耗在转子电阻上。 系统占地空间小，工业噪音明显降低，使职工工作环境明显 改观。 在 PLC 程序采用双程序， 即保留原转子切电阻系统功能， 使 其作为主系统的备用程序，增加了系统的安全性。四、十矿西风井提升机电控系统总体技术特点 西风井主井绞车采用变频技术后，因变频技术没有简易开车系 统，为此我们保留了原电阻箱，并在 PLC 程序内设置了一套完整的 交流 PLC 控制系统，在变频系统出现不可短期内恢复的问题是，在 电控柜内切换高压短接点（转子变频时高压定子需要短接） ，停用变 频、整流柜电源，切换变频柜转子线路

11、到电阻箱；送上交流 PLC 电 源后，主控柜直接控制高压换向柜，电控系统转入交流 PLC 运行， 交流 PLC 附带动力制动装置，系统同样完整可靠。五、总结 转子变频技术在十矿西风井提升机的应用节约了有限资金， 不仅 完全能够符合国家关于提升电控的要求，而且达到了节能高效的效 果。系统选用美国通用公司生产的 GE 系列可编程序控制器 。采用主、 副两套美国通用公司生产的 GE 可编程控制器。 应用 PROFIBUS-DP 现场总线技术，使控制系统简化、维护方便，提高控制精度及安全可 靠性。上位机、主控PLC、副PLC，主传动设备6SE信号系统通过PROFIBUS 现场总线构成局域网，并且可以与地面生产调整或全矿 集中控制系统联网通讯。主 PLC 包括主机架、电源模块、 CPU 模块、高速计数器模块、 模拟量 I/O 模块、数字量 I/O 模块等。对整个系统的工作进行控制和 管理，其中主要包括对液压站的控制、执行正常的操作程序、接受并 生成开车信号和方向信号、 实现各种故障保护及闭锁。 同时还包括与 上位机通讯及远程监控等功能。副 PLC 采用与主 PLC 同样 C