高压变频技术方案通用.docx

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高压变频技术方案通用

高压变频调速交流提升机电控系统

技术方案

天地科技股份有限公司

2007年8月

目录

1概述

2主要技术参数

3电控系统设备技术条件

3.1使用条件

3.2技术标准和规定

4电控系统总体技术方案

4.1原则

4.2系统设备构成

4.3总体技术方案和各子系统技术方案

4.4电控系统主要技术特点

5电控系统配套设备的技术说明

5.1高压开关柜

5.2低压电源柜

5.3不间断电源和直流电源

5.4全数字交流高压变频调速控制装置

5.4.1控制原理

5.4.2主回路

5.4.3单元叠加

5.4.3功率单元

5.5计算机主控系统装置

5.5.1提升行程速度控制

5.5.2操作控制

5.5.3设备和运行状态的监视

5.5.4安全回路及其控制

5.5.5状态、故障和第一故障的显示和报警

5.5.6制动控制系统

5.5.7与信号系统的闭锁接口

5.5.8操作台

5.6上位计算机监视系统

5.7测速发电机、轴编码器、行程开关

6电控系统配套设备明细

7技术资料提供

8技术服务

9工期安排

高压变频调速交流提升机电控系统

技术方案

1概述

本技术方案按照现场要求的技术内容和要求，经本单位认真研究讨论、设计后提出的。

2副井提升机运行条件及设备参数

略

3、电控系统设备技术条件

3.1使用条件

（1）环境条件：

电控设备室内安装，其基本工作环境条件如下：

海拔高度：

﹤1000m

环境温度：

﹤50℃

相对湿度：

﹤90%

无显著振动、无冲击振动的场合。

周围介质无爆炸危险，无腐蚀金属和破坏绝缘的气体与尘埃（包括导电尘埃）。

井筒中和井下采用的电气设备，须满足相应的要求规定，如防爆、防尘、防水等。

（2）地面高压电源：

电压：

～6000V　

电压变动范围：

±10%、

电源频率：

50±0.2HZ

接地方式：

中性点不接地

（3）地面低压电源：

电压：

～380V

电压变动范围：

±10%、

电源频率：

50±0.2HZ

接地方式：

中性点直接接地

3.2技术标准和规定

本电控系统设计方案符合下列文件的规定：

《煤矿安全规程》（2006版）

《煤矿工业矿井设计规范》GB50215-2005

《煤矿在用提升绞车系统安全检测检验规范》AQ1016-2005

（83）煤生字第761号《煤矿电气试验规程》。

《矿井提升机和矿用提升绞车安全要求》JB8516-1997。

《交流传动矿井提升机电控设备》JB4263-86

《交流电机半导体变频调速装置总技术条件》（GB12668-1990）

《工业过程测量和控制装置的电磁兼容性》GB/T17626-98

《3～35kV交流金属封闭开关设备》GB3906-91

《低压配电设计规范》GB50054-95

《快速瞬变干扰试验》IEC61000-4-4

《浪涌抗扰性试验》IEC61000-4-5

《低压电器电控设备检验标准》（GB4702-84）

《装有电子器件的电控设备检验标准》（GB3793—83）

《电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施工及验收规范》（GB50171—92）

《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》（GB50168—92）

《工业企业噪声控制设计规范》（GBJ87—85）

电工委员会IEC标准及其它有关标准

4电控系统总体技术方案

4.1原则：

（1）安全、可靠、高效；

（2）符合有关标准和规程要求以及用户的技术要求；

（3）技术和设备应是先进的、成熟的、可靠的；

（4）系统功能完善、性能好、监视保护齐全且动作可靠；

（5）系统构成简洁明了，显示齐全，使用维护方便、快捷；

（6）系统配置经济合理，性能价格比较高。

4.2系统设备构成

Ø供配电系统：

●高压供配电系统—高压开关柜

●低压供配电系统—低压配电柜

Ø全数字交流高压变频调速系统：

Ø网络化操作控制系统：

PLC主控柜、网络化操作台

Ø上位计算机监控系统：

工业控制计算机

Ø传感器：

轴编码器、井筒开关等

4.3总体技术方案和各子系统技术方案

全数字交流变频调速控制+PLC行程控制和操作控制+双线制监视保护和安全回路+上位管理计算机

（1）全数字交流调速系统方案

—采用合康电气的HIVERT-YVF06/061全数字交流变频调速装置，实现四象限运行，其功能完善、性能优越、监视保护齐全；

—采用四象限单元串连多电平高压变频调速装置和有速度传感器的矢量控制技术；

—采用矢量控制技术，电机启动转矩大，过载能力强，能保证200％额定转矩输出1分钟；

—节电效果显著。

（2）网络化主控系统方案

—主控系统主要由两台不同配置和规格的西门子公司S7-300可编程序控制器构成（PLC1、PLC2），实现安全规程要求的双线制模式；

—由PLC1和PLC2共同实现多水平的数字行程速度控制和监视功能；

—由PLC1实现全部控制功能；由PLC2实现部分控制功能；

—由PLC1和PLC2共同实现双线制监视和安全保护，和重故障继电安全监视保护一起构成多重化安全监视和安全保护。

—各种运行控制功能（自动、半自动、手动、检修及特殊工况等运行控制功能）、系统的双线制安全监视和安全回路等主要由PLC应用软件实现。

（3）监控系统方案

上位机采用P4工业控制计算机系统（包括：

通讯组件、工控机、彩显、打印机、网卡等），配套西门子公司的WINCC人机界面系统，一方面作为面向控制系统人机界面，可实时动态地监视显示系统运行状态和运行参数，并显示各种故障类型、故障发生时间，并对故障进行存盘记忆和打印记录，使用维护方便和故障处理快捷；另一方面作为面向外部网络连接的人机界面，通过工控机的工业以太网通讯接口，以便和矿井综合自动化网络联网。

（4）系统网络化方案

各PLC、调速控制计算机、触摸屏、上位机等通过Profibus总线、MPI总线构成系统通讯网络，减少相互连线，系统简洁，便于安装和调试及使用维护。

4.4电控系统主要技术特点

（1）全数字交流调速控制

—采用全数字高压变频交流调速装置，可实现四象限运行，其功能完善、性能优越、监视保护齐全；

—采用同步整流控制技术实现能量回馈，可靠性高，输入侧功率因素高且波形畸变小。

—采用综合措施提高交流变频调速系统的工作可靠性。

（2）全数字控制和监视

—采用西门子公司S7-300系列PLC（PLC1）构成提升机工艺控制；

—采用西门子公司S7-300系列PLC（PLC2）构成提升行程测量和控制；

—采用工控机和西门子公司Wincc监控软件构成上位机监控系统。

（3）双线制PLC安全监视和安全回路+继电器安全监视和安全回路

—采用PLC1和PLC2分别构成提升行程、速度测量，和有关提升重要安全信号（过卷、超速、限速、减速点、方向等）的双回路监视和保护。

—由专用安全继电器对提升重要安全信号（过卷、超速等）进行监视和保护，构成继电器安全回路，与PLC安全回路一起构成多重安全监视和保护。

—采用PLC1和PLC2分别构成双回路的安全回路及继电器安全回路，并经安全继电器输出，驱动安全接触器动作。

—安全继电器和安全接触器均具有完善的“分”“合”状态监视和保护

—具有PLC（PLC1、PLC2）运行状态监视（即：

PLC故障保护）。

（4）闸控系统

—工作制动闸控模块采用高可靠设计，具有手动、自动施闸和贴闸皮控制功能，内附100Hz振动电流，可提高动作灵敏度；

—按用户需要及二级制动和恒减速制动技术要求，可配置二级制动和恒减制动的闸控单元。

—独立设置电气安全制动及二级安全制动工作监视环节；

（5）全行程位置控制工作效率高

—用计算机提升行程速度控制技术，实现全行程的位置控制和以行程为变量的S型曲线速度给定控制，控制精确度高；

—采用5位十进制KP值行程计算和行程校正，可确保行程测量精度≤±0.01米；

（6）高抗干扰性能

本电控系统在控制电源、输入信号、输出信号和数据通讯等方面采取了综合抗干扰措施，电磁兼容性设计合理，结构布局周密可靠，系统抗脉冲干扰可达到GB／T17626.4标准最高严酷等级（＞4000伏）要求，确保系统的工作可靠性。

（7）状态和故障、首故障监视完善

—由主控计算机（PLC1）、监控计算机（PLC2）、调速控制装置和上位管理计算机（IPC）构成完整的运行状态、运行参数监视系统；

—由主控计算机（PLC1）和监控计算机（PLC2）等构成首故障及故障的判别、记忆和显示功能；

（8）工作可靠性高

—控制用PLC和调速用计算机均采用进口名牌产品；

—主要传感器元件和电器元件均选用进口名牌或合资厂产品；

—可仅由继电器控制运行以实现应急控制功能；

—全系统电子元件、电器、导线等均采用降容、减额和并联、冗余设置等可靠性设计措施，确保高可靠工作。

5电控系统配套设备的技术说明

5.1高压开关柜1套

选用1台KYGC-Z-01G型双电源真空高压开关柜。

双回路隔离开关进线，配电动操作机构，真空断路器进行控制及保护。

其技术特点为：

1）断路器采用真空断路器，电动操作机构，具有“五防”功能；

2）高压开关柜具有过流、短路及接地等保护功能。

3）进线柜、馈电柜均配有电流互感器、电压监视装置等等。

4）电压测量及保护柜配有电压互感器、避雷器等。

5）具有有功电度表、无功电度表、电流表、电压表等指示仪表。

6）主控PLC对各回路的工作及故障状态进行监视、显示。

说明：

高压开关柜的具体配置最终通过设计联络确定。

5.2低压电源柜1台

选用1台低压电源柜，两路～380V进线，手动切换，经各馈电回路向电控系统（包括信号系统）、励磁、辅机（包括风机、液压泵、润滑泵等）及其它用电设备（包括吊车、检修、照明等）供电，电压等级包括～380V、～220V、～127V。

其技术要求为：

1）根据各用电设备的要求装设自动空气开关或断路器、接触器、继电器（热继电器）、控制开关等。

2）装设电压、电流测量仪表及工作和故障指示。

3）具有短路、过流等保护功能。

4）电源尽量采用中性点不接地系统（与井下设备有关的电源必须采用），并配备接地监视功能。

5）配电装置的馈出留有10-20%的备用回路。

6）主控PLC对各回路的工作及故障状态进行监视显示。

说明：

1）低压电源柜中所用开关、接触器、继电器等均采用国际知名公司产品。

2）低压电源柜的具体配置最终通过设计联络确定。

5.3不间断电源和直流电源

控制电源的性能、可靠性直接影响系统的工作可靠性，控制电源必须具备高可靠性、高抗干扰能力，同时须具有供电的连续性，一般要求留有足够余量。

为此在控制电源的配置中，采用如下方案：

（1）采用一台2KVA的隔离变压器为系统中的控制电源供电。

（2）配置一台2KVA不间断电源（UPS），为系统中重要的控制单元供电，当主电源故障时可自动转换，使其用电电源不间断，确保提升机安全停车所必须的操作和关键数据的记忆。

（3）电控装置中根据需要配置相应的稳定可靠的直流电源，主要选用开关电源和线性电源。

每路电源均在交流进线侧设置电源滤波器，并对电源的输出进行电压监视和接地监视。

（4）所选的不间断电源、开关电源、线性电源均采用国际知名公司名牌产品。

5.4全数字交流高压变频调速控制装置1套

5.4.1控制原理

HIVERT-YVF采用转子带速度反馈的矢量控制技术。

在转子磁场定位坐标下电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。

维持励磁电流不变，控制转矩电流也就控制电机转矩。

电机转速采用闭环控制。

实际运行中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流IT。

经过矢量变换将IT、IM变换为电机三相给定电流Ia*、Ib*、Ic*，它们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号。

控制原理框图如图。

5.4.2主回路

HIVERT-YVF系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。

HIVERT-YVF变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。

5.4.3单元叠加

单元串联脉宽调制叠波输出，相输出Y接，中性点悬浮，得到可变频三相高压电源，6kV系列每相6个单元，大大削弱了输出谐波含量，输出波形几近完美的正弦波驱动电机。

下图为6kV变频器系列的电压叠加示意图。

5.4.4功率单元

HIVERT-YVF系列产品具备100%定额功率的能量回馈能力。

其结构图如下：

功率单元利用IGBT进行同步整流，同步整流控制器实时检测单元电网输入电压，利用锁相控制技术得到电网输入电压相位，控制整流逆变开关管所构成的相位与电网电压的相位差，便可控制电功率在电网与功率单元之间的流向。

逆变相位超前，功率单元将电能回馈给电网，反之电功率由电网注入功率单元。

电功率大小与相位差成正比。

电功率的大小及流向由单元电压决定，就同步整流而言，整流侧相当于一个稳压电源，与电功率大小及方向相对应的电网与逆变相位差由单元电压与单元整定值之间的偏差通过PID调节生成。

型号

HIVERT-YVF06/061

变频器容量（kVA）

630

适配电机功率（kW）

500

输入电压（kV）

6

额定输出电流（A）

61

输出电压（kV）

6

每相串联单元数

6

输入频率

45Hz～55Hz

额定输入电压

6kV（-20%～15%）

调制技术

矢量控制技术

控制电源

220VAC，3KVA

输入功率因数

额定负载下>0.97

效率（含变压器）

额定负载下>0.96

输出频率范围

0Hz到120Hz

输出频率分辨率

0.01Hz

过载能力

200%额定转矩一分钟

模拟量输入

两路，0～10V/4～20mA

模拟量输出

两路，0～10V/4～20mA

上位通讯

隔离RS485接口，MODBUS规约

加减速时间

5秒～1600秒

开关量输入输出

12入/9出

运行环境温度

0到40℃

贮存/运输温度

-40到70℃

冷却方式

强迫风冷

环境湿度

<90%,不结露

5.5计算机主控系统装置1台柜1套操作台

计算机主控系统装置包括1台主控柜、1套操作台，主要由2台西门子公司生产的S7-300PLC和控制电器构成，完成提升行程速度控制、系统操作控制、系统监视、系统保护等功能，实现对调速系统装置、制动系统设备、辅机等设备的协调控制，实现提升机按照各种工况要求正常运行；同时实现对提升运行和系统设备的状态和故障的监视，识别故障和第一故障，进行报警和显示，并根据故障的类型实施相应的控制。

5.5.1提升行程速度控制

主要由PLC1实现，主要完成以行程为变量的S形曲线速度给定功能，并和主控监视PLC2构成双线制监视和保护。

主要技术参数：

●传感器：

增量式轴编码

●行程测量范围：

0000.00－1999.99m分辨率：

±0.01m

●速度测量范围：

00.0－19.9m/s分辨率：

±0.1m/s

●脉冲量化参数Kp：

五位十进制数（用于绳槽磨损补偿）

主要功能：

—测量：

行程和速度等运行参数测量；行程值校正按两次校正设计。

—产生行程控制信号：

根据所测行程产生各相应控制信号，如减速点、停车点等。

—速度给定：

全行程自动生成以行程为自变量的S形曲线速度给定值（输出：

0～±10伏），输出至调速装置，控制提升机运行速度。

—监视和保护

由双PLC构成冗余监视环节，主要监视有等速超速、减速限速、爬行超速、过卷、错向及校正失效、校正超差以及PLC运行故障等。

—假井口试验

通过启动一个试验开关，人为缩短最大提升行程，可安全的进行各种保护模拟试验，包括等速超速、减速限速、爬行超速、过卷、错向等。

5.5.2操作控制

操作控制包括对调速系统装置、制动系统设备、辅机等设备的协调控制，主要由PLC1和相应的继电回路实现，包括：

—接受和处理提升信号、运行模式信号、调速装置运行、封锁和制动控制等信号；

—各控制电器闭合、分断控制、调速装置工作、闭锁控制、工作制动控制；

—各控制、运行信号及设备控制的闭锁等等。

（1）提升机运行控制模式

—系统运转状态选择：

提物（3.87m/s）、提人（3.87m/s）、检修（0.5m/s）、

应急（2m/s）

—系统控制方式选择：

自动控制、半自动控制、手动控制

—各种控制运行模式：

●手动控制司机可通过手柄控制提升速度0～额定速度范围内连续可调，同时要受到行程控制器的限制。

●半自动控制在半自动运行逻辑正常时，司机可通过按钮，让提升完成一个提升循环，并具开车闭锁；具有自动选择方向，确定运行速度等功能；

●全自动控制在满足自动运行逻辑下，电控系统根据提升信号系统的信号自动确定运行方向、运行速度，自动完成一个工作周期内的启动、加速、减速、停车等功能。

●检修运行控制只允许手动操作，速度0.5m/s。

●慢速运行控制允许手动操作或操作专设的慢速运行按钮，慢动速度在0.3--0.5m/s。

●停车点旁路运行控制：

能用转换开关旁路停车控制点，以便检修时使用。

●过卷旁路运行控制：

如在检修时，能用转换开关实现人为过卷、速度限定在0.3m/s以下。

如若正常提升时，人为过卷不复位不能开车。

●超载低速运行控制：

电控系统根据电机的力矩，自动判断是否超载提升或下放，当判断出超载时，为了确保安全运行，自动将速度切换到1m/s，低速运行。

●应急运行控制（简易开车）：

在直流调速系统正常情况下，当主控PLC出现故障时，电控系统能由继电器控制实现简易开车低速运行，速度＜1m/s。

5.5.3设备和运行状态的监视

设备和运行状态的监视由PLC1、PLC2、调速控制计算机以及重故障继电监视回路等共同实现，构成多重安全监视。

采用相关的测量和传感组件构成各类监视信号源，这些监视信号经变换隔离输入主控计算机PLC1，与安全有关的信号同时输入至PLC2。

两PLC采用专门编制的监视程序，来实现对设备和运行状态的故障识别、记忆，第一故障的识别和记忆，并实现报警和显示。

主要监视内容包括：

与速度有关的监视：

—连续速度监视；

—逐点速度监视；

—过速监视；

—钢丝绳打滑监视（不用）；

与行程有关的监视：

—过卷监视；

—后备过卷监视；

—减速点监视；

与传感器有关的监视：

—数字编码器间的相互监视；

—行程位置开关的监视；

—松绳监视；

与设备工作状态有关的监视：

—高压供电系统的监视；（包括过流故障等）

—低压供电系统的监视；（包括过流故障等）

—主电机温度监视；

—轴承温度监视

—主电机通风冷却监视；

—变频调速系统装置故障监视；

—主控PLC工作状态监视；

—主控继电回路监视（如安全接触器工作状态监视等）；

—主控操作主令电器的工作状态监视；

—主控对电机过载监视，在此情况下防止全速运行；

—主控对深度指示监视；

—液压制动系统故障监视；

—制动闸、制动轮工作状态监视（如闸瓦磨损监视等）

—润滑系统故障监视；

—尾绳故障监视；

5.5.4安全回路及其控制

安全回路由PLC1和PLC2同时实现，构成双线制安全回路，同时将过卷、电源故障、调速装置故障等重故障直接构成继电安全回路，构成多重安全保护。

根据故障的性质和危及安全及工作状态的程度，共分为四类故障，将它们分别构成三类安全回路。

安全接触器控制由PLC1、PLC2安全回路和继电安全回路共同实现，其中两PLC输出的安全保护信号分别控制各自安全回路中间继电器，各安全回路中间继电器接点串联后，控制安全回路接触器，最终控制安全制动的施加与释放。

安全保护按故障的性质分四类进行处理：

一类故障发出声光报警，系统立即实施安全制动，抱闸停车。

一类故障主要包括：

—高、低压电源断电、过压、欠压、缺相故障；

—交流变频调速回路故障；

—制动系统油压故障；

—提升容器过卷；

—松绳故障；

—深指失效；

—提升运行超过最大速度15%

—提升运行减速段过速10%;

—提升容器到达终端时的速度超过2m／s；

—错向操作；

—钢丝绳滑动超限（不用）；

—提升运行时摇台动作；

—尾绳故障（不用）；

—信号系统紧停、按下安全制动钮等。

二类故障发出声光报警，系统立即实施电气制动，按电气制动减速度减速，当速度降低到1m/s时，实施安全制动，抱闸停车。

二类主要包括：

—信号电源欠压；

—整流装置过压保护熔断器熔断；

—主电机超温；

—轴承温度异常；

—液压制动系统油温偏高；

—液压制动系统油位偏低；

—润滑系统故障；

—闸瓦磨损、闸盘偏摆、弹簧疲劳；

—井中运行信号系统打停点（或无方向信号）；

—按下电气制动钮等。

三类故障发出声光报警，允许一次提升循环结束后再停车，并进行闭锁不予许下一次开车。

三类主要包括：

——交流调速装置发生局部故障；

——主机轴瓦过热；

——电机温度偏高；

——变压器温度偏高；

——运行过程中通风机故障等。

四类故障只进行报警。

四类主要包括：

——低压电源漏电；

——信号电源接地及其它接地故障等等。

5.5.5状态、故障和第一故障的显示和报警

系统设备和运行状态及故障分别由安装在操作台仪表盘上的指示灯和上位机显示屏以及触摸屏来显示，仪表盘内装设报警器，故障时进行报警。

5.5.6制动控制系统

提升机制动控制系统主要由PLC、继电控制回路（工作制动接触器、安全回路接触器等）和可调闸控制单元组成，与液压站及液压站控制系统相配套，共同实现正常工作制动和故障时的安全制动功能：

（1）手动时的工作制动，由闸控手把调节制动油压；

（2）自动时的工作制动，与行程速度调节系统配合，由主控根据开车和停车指令给出松闸、预贴闸、施闸等控制信号；

（3）安全制动包括一级制动、二级制动两种方式：

●若提升容器运行在在井中，直接动作安全阀和二级制动阀，实施二级制动控制；

●若提升机接近井口，解除二级制动（范围可按设计值设定），实施一级紧急制动控制；

（4）主控系统对制动系统状态进行监视保护。

5.5.7与信号系统的闭锁接口

电控系统采用通讯方式连接并留8个开关量输入点和8个输出点作为提升信号的接口，并对提升信号作相应的处理。

5.5.8操作台

操作台采用操作方便的一体式结构。

操作台主要装有制动控制手柄（右手）、速度控制手柄（左手）、辅机控制用选择开关、工况选择开关、控制方式选择开关、控制按钮（如：

高压合分控制按钮、磁场合分控制按钮、快开合分控制按钮、风机起停控制按钮、液压油泵起停控制按钮、紧急制动、电气制动、复位、铃复位、过卷旁路、停车旁路、半自动开车按钮、慢速运行按钮、实验按钮等）；包括触摸屏显示器、显示仪表（包括提升速度、电枢电流、励磁电流、制动油压、可调闸电流等）以及重要操作信号和状态指示灯（包括控制手柄零位指示、制动手柄松闸位指示、快开合闸指示、磁场合闸指示、高压合闸指示、控制电源合闸指示、安全回路正常指示等）。

操作台