德力西CDI9000 - G280kW变频器在提升机中的应用

    矿井提升机是煤矿、铁矿、有色金属等矿生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。煤矿井下采煤，采好的煤通过斜井用提升机将煤车拖到地面上来。在井口有一绞车提升机，由电动机经减速器带动卷筒旋转，卷筒拉动钢丝绳，由钢丝绳将煤车拉到地面（见图6-27）。这种拖动系统要求电动机频繁的正、反转起动，减速制动，而且电动机的转速按一定规律变化。

    图6-27    减速装置

    一、运行控制分析

    目前，大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升，传统斜井提升机普遍采用交流绕线式电动机串联电阻调速，电阻的投切用继电器一交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，交流接触器主触点频繁切换，使触点烧蚀而引发接触不良，造成设备故障。另外，提升机在减速和爬行阶段，速度控制性能较差，使停车位置不准确。提升机频繁的起动、调速和制动，在转子外电路所串联的电阻上产生相当大的功耗。这种交流绕线式电动机串联电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性能差；低速时机械特性较软，静差较大；电阻上消耗的功率大，浪费电能。起动过程和调速换档过程中，电流冲击大，中高速运行振动大，安全性能差。

    为克服传统交流绕线式电动机串电阻调速系统的缺点，采用变频调速技术改造提升机，可以实现全频率(0~50Hz)范围内的恒转矩控制。对再生能量的处理，可采用价格低廉的能耗制动方案或节能更加显著的回馈制动方案。

    斜井提升负载是典型的摩擦性负载，即恒转矩特性负载。重车上行时，电动机的电磁转矩克服负载转矩，起动时还要克服一定的静摩擦力矩，此时电动机处于电动工作状态，且工作于第一象限。在重车减速时，虽然重车在斜井面上有一向下的分力，但重车的减速时间较短，电动机会处于再生状态，工作于第二象限。当下一列重车上行时（上一列空车下降），电动机处于反向电动状态，工作在第三象限和第四象限。另外，有10%的工作时间单独运送工具或器材到井下，电动机纯粹工作在第二或第四象限，此时电动机长时间处于再生发电状态，需要进行有效的制动。用能耗制动方式必将消耗大量的电能；用回馈制动方式，可节省这部分电能。但是，回馈制动单元的价格较高。考虑到单独运送工具或器材到井下仅占总运行时间的10%，可选用价格低廉的能耗制动单元加制动电阻的制动方案。

    提升机的负载特性为恒转矩位能负载，起动力矩较大，选用变频器时要适当地留有余量；由于提升机需要进行准确的位置控制，要选用失量控制变频器。

    二、改造方案

    1．原系统情况分析

    某煤矿斜井提升机是单卷筒提升机，原配185kW绕线式6极电动机驱动，卷简直径1200mm，减速器减速比24：1，最高运行速度2.5m/s，钢丝绳长度为450m。采用串联电阻分5段速降压起动和调速。电动机平时工作电流为280～380A。

    为保证安全，提升机上行或下行起动时，加有制动，起动后的瞬间再松开制动。在这种情况下运行电流有时候会超过电动机额定电流，达到400A以上。变频器改造后，提升机上行或下行起动时，仍然要进行制动，当变频器输出频率到达2Hz，有足够大的力矩时再松开制动。尽管2Hz以下电动机处于堵转状态，但由于输出频率低，输出电压也低，电动机不会过电流。在生产中，装载的物料有时可能会超载，考虑重载加速时间短，选型时变频器容量需要加大。

    2．变频器选择

    基于以上分析，选用德力西CDI9000- G280kW变频器，该变频器输出功率280kW，有足够的功率余量。制动单元为德力西CDI - BR400型，适用于160~ 315kW变频器。制动电阻功率为54kW，当直流母线上电压高于700V左右，起动制动单元，使多余的能量通过制动电阻消耗掉。

    在减速器上还有一个液压机械制动器，类似电磁制动，为安全性考虑，变频器改造后予以保留。此制动器用于重车静止时的制动（见图6-27），特别是重车停在斜井的斜坡上，必须有液压机械制动器制动。液压机械制动器受原控制系统和变频器共同控制，机械制动是否制动受变频器频率到达端口的控制，起动时当变频器的输出频率达到设定值，打开液压机械制动器，重车可上行；减速过程中，当变频器的频率下降时，表示电动机转矩已较小，液压机械制动器制动停车。紧急情况时，按下紧急停车按钮，变频器停机，液压机械制动器马上起动，使提升机在尽量短的时间内停车（变频器D4端子为紧急停车端子，该端子闭合，变频器立即停止输出）。

    变频器采用多段速控制，由多功能端子D1、D2、D3控制，5个段速的频率为6Hz、18Hz、25Hz、35Hz、50Hz，以适应提升机不同运转速度的要求。FWD、REV为正反转运行控制，变频器连接如图6-28所示。

    为了在变频器跳闸时系统能正常工作，保留原工频调速系统，使两套系统互为备用，增加了系统运行的可靠性。改造时需要增加工、变频转换功能。系统运行前，将主回路和控制回路各转换开关切换至相应的变频或工频位置。具体接法为：增加3个三刀双掷开关QF1、QF2、QF3作为主回路切换装置。QF1、QF2切换工频、变频运行，当QF1、QF2打到变频器一端，系统变频运行；当QF1、QF2打到工频一端，电动机工频运行（见图6-29a）。QF3切换电动机绕组的工频变频运行，当变频运行时，将开关打到短路一端；当工频运行时，将开关打到原调速电阻一端（见图6-29b）。

    图6-28    变频器连接图

    图6-29    变频-工频切换

   a)主电路切换b）定子绕组切换

    3．操作与控制

    依据提升机控制系统的不同，采用适当的接线方式，就可以实现灵活的操作方式。对于旧系统改造项目，为了不改变原来的操作习惯，可以用原来的操纵系统操作变频器。操作者通过主令控制器操纵杆控制电动机正转5档速度和反转5段速度，以实现电动机的爬行、加速、减速、恒速运行。

    通过变频改造，实现了起动及换档时的软起动、软停车，减轻了对电网的冲击。变频器的频率连续调节，分段预置，使调速更加方便、可靠，运行更平稳。使用变频器后省去原先的换档接触器及调速电阻，即节省了维修费用，又减少了停机维修时间，从而提高了产量。同时改善了恶劣操作环境，使工人避免了在夏季又因调速电阻发热的双重高温下工作。

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