赫尔克 变频器在煤矿斜井绞车系统中的应用

铜川某建安公司与我公司签订了关于开发“用于煤矿斜井绞车系统的变频器操控柜”的协议。随后，我公司派技术人员前往煤矿实际考察，了解了绞车系统的工作原理，并对现场工作环境和工作条件做了深入调查。之后，我们在通用变频器的基础上，针对煤矿的特殊用途和环境条件，开发出了“HCM1126型煤矿斜井绞车变频操控系统”。2005年12月，产品在现场进行了试运行，效果理想。在此，奉献出来与广大顾客朋友共享。 一.原绞车系统简介 系统组成 该系统为单筒单绳式提升，系统包括： 1.2米绞车、车斗、75KW绕线式电机、电磁抱闸装置、电源柜、可控硅控制柜、电阻箱、启动装置、操作台等。其中，电磁抱闸装置在失电状态下将处于完全抱紧（制动）状态。 绞车拖动6节车斗，用于装运原煤。车斗运行最大坡度为25°，具体路线轨迹如图1所示。单程运行总长度为160米。 1. 系统主要参数 额定转速965转／分，绳速1.3m／s（最大2m／s）；6节车斗，每车自重500Kg，满载时装煤600Kg，钢丝绳直径φ18.5mm；路轨总长160米，最大斜度为25°。 2.原系统优缺点 原系统的优点主要表现在机械抱闸（制动）方面。该抱闸装置设计简洁巧妙，可靠性高，在长期使用中性能稳定，并且操作简单，便于连接系统。 原系统的主要缺点表现在调速方式落后，整个电控系统环节较多、烦锁庞大，控制相当复杂，发生故障的几率很多，尤其是可控硅斩波环节本身的故障率很高，增加了系统维护的压力；并且，调速时大量的电能将消耗在电阻上，浪费很多。另外，控制系统复杂、检修困难、维修成本高、调速范围小、调速不平稳、无功损耗大等，都是该系统存在的致命缺点。 二.绞车系统变频改造方案 1.试验用变频系统组成 通过对原绞车系统的分析，我们提出如图3所示的实用性方案。整个系统由变频器、泄放电阻柜和操作台组成，如图2所示。 采用变频器控制后，整个电控系统连线十分简单，与原系统相比，体积和重量大幅度减小，当然，系统的调速性能更有一个质的飞跃。 变频调速器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，可以达到0～400HZ。频率调节精度为0.01HZ，基本上实现了无级调速。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。并且，变频器提高了输入电源的功率因数，在基频以下为恒转矩输出，输出功率随转速变化，因此具有很好的节电效果。 操作台有两个控制手柄，右手为调速手柄，左手柄为制动手柄。面板设置有电锁、“紧急制动”按钮、“非常制动”按钮、控制键盘等，操作使用简单直观，并考虑了矿山电控设备的操作习惯。 变频柜和电阻柜按照矿用一般型的标准设计，泄放单元置于电阻柜内，其面板上的调节按钮可用来调节泄放速度，指示灯分别指示电源和工作状态。变频器为壁挂式结构，其功能完全按照工作需要重新设计。 2.方案简介 图3为煤矿斜井绞车系统变频器控制方案。图中电磁抱闸机构为原系统所用，这样做主要是为保证绞车系统的安全性。泄放单元拟采用与变频器逆变单元功率模块同规格的开关件，以保证系统有足够的泄放容量；而泄放电阻则采用3～6Ω/9～12KW无感电阻，以保证系统有足够的泄放速度。 图中由虚线框分成4个部分，1为操作台附加控制单元；2为附加安全保护；3为电磁报闸控制单元；4为泄放单元及泄放电阻。 操作台做了重新设计，操作习惯仍旧保持原来风格。主令开关手柄改为无级调速手柄，用于动态调速； 另加设了紧急制动按钮，当变频器发生故障注1时，系统自动输出异常信号，控制系统完全抱闸，如果自动抱闸线路出现故障而不能准确执行功能时，操作该按钮可以紧急制动；如果紧急制动也失效时，还有一级保护，即“非常制动”。“非常制动”即断开刀闸，从而切断机械抱闸系统的电源，达到最可靠的制动。此处，刀闸“B”只是功能表征，实施时可改做专用紧急按钮或继电器逻辑电路。 自动抱闸和紧急制动抱闸时，操作台面板上的“故障抱闸”灯亮，给出灯光报警。此时，若系统未确实制动，可进行“非常制动”。 常开触点J1为控制抱闸回路的总开关，“K”为调压器滑动触头，可调节调压器电压输出大小，从而改变抱闸力的大小。图中“C”为刀开关，手动可同时切断J2-C回路和J2继电器线圈回路，使“K”回路有效。J2-C回路从调压器输出端取出固定电压信号（其值可从实验中测得），加到抱闸系统，给系统增加一定的阻力。这只用于“空罐下配重”期间。当然，切断刀开关“C”，可取消该功能。从图中还可以看出，调压器滑动触头“K”回路串入了J2常闭触点，这就保证了J2-C回路有效时，“K”回路处于断开状态。当然，常开点J2断开时，“K”回路必然闭合。 “&1”只表示一种逻辑关系，其输出用来控制继电器J1的线圈，起到自动制动的作用。“&1”输入的四种信号可通过检测变频器的输出电流得到。“&2”的输出用来启动弱阻尼电路，即控制J2继电器的线圈。 图中“D”触发器用作信号锁存器，点动“紧急制动”按钮，该脉冲信号可由“D”触发器锁存，从而将“T1”、“T2”钳位在低电平，达到同时关断继电器J1和J2从而进入完全抱闸状态的目的。 1.系统配置 绞车系统选用75KW绕线式电机，级数为6级；绞车线速度1.3m/s（最大2m/s）；上坡路线总长度138m，坡度25°（按最大计算）；满载时车辆总重量6600Kg；车皮总自重3000Kg；钢丝绳直径18.5mm，按160m计算，重量约为36Kg，计算中可予以忽略。 注1：主要指变频器内部的过压、过载、过流、过热、缺相等正常保护以及死机、复位等非正常输出。失电时系统可自行保护。 a.大负载计算 如图4所示，负载总重6600Kg，分解所得正压力为6600×cos25°＝5982Kg，分解所得下滑力为6600×sin25°＝2790Kg设摩擦系数为0.1，则摩擦力为：5982×0.1＝600Kg设车斗轮毂高度为1m，则阻力矩为（600＋2790）×1×9.8＝3390×9.8=33222Nm。 此时，按坡长138m计算，动力所做功为（600＋2790）×9.8×138＝4584636J上升速度按照最大线速度2m/s计算，升到坡顶时需要运行138m，所用时间为138÷2＝69s 所以，将重车斗拖上坡顶所需功率为4584636÷69＝66444W＝66KW由计算可知，配置75KW电机可满足绞车系统需要。但考虑安全因素（例如路轨塞堵等），配置变频器功率应选择90KW。 b.泄放计算 空车下放时，电机处于发电状态。空车总重3000Kg，同上计算得下放力为3000×sin25°＝1268Kg 摩擦力为 3000×cos25°×0.1＝272Kg 发放力功率为 1268×9.8×138÷69＝24853W＝25KW 摩擦力功率为 272×9.8×138÷69＝24853W＝5.4KW 所以，实际下放功率为25－5.4＝19.6KW≈20KW，也就是说，发电功率约为20KW。这部分能量需要被泄放装置消耗掉。设泄放阈值电压为720V，则泄放电流有效值为20000÷720≈28A，峰值为28×1.4≈40A。选择泄放模块，其额定电流必须大于40×3＝120A，泄放电阻计算从略。 信息来源于：传动网