矿井提升机变频调速电控系统技术培训教材.docx

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矿井提升机变频调速电控系统技术培训教材

隔爆兼本安型全数字矿井提升机

变频调速电控系统

技术培训

一、目录

Ø系统概述

Ø系统组成

Ø变频调速系统

ØPLC控制系统

Ø提升信号系统

一、系统概述

1,变频绞车

煤矿井下斜井绞车，以前主要是以交流异步电机转子串电阻调速绞车

（电气拖动）,液压绞车（液压拖动）等几种方式为主，但这些设备在安全可

靠性、调速、节能、操作、维护等方面都不同程度的存在缺陷。

串电阻调速主要缺陷有:

1）,属于有级调速,开环运行,因而调速精度低,特别是在出现负力提升

时,要由司机判断速度来人为投入低频或动力制动装置,因而很不安全。

2）,转子串入附加电阻后，电机机械特性很软，低速运行时负载稍有变

化转速波动很大。

3）,电机低速运行时效率很低，电动机电磁功率中的转差功率全部转化

为转子回路中的铜耗以发热的形式消耗掉，浪费了大量的电能。

4）,由于电机转子回路串有大量金属电阻,在运行中电阻散发出大量热

量，造成电阻箱变形失爆。

5）,安装大量的金属电阻,大大增加了电控峒室的面积,也大大增加了峒

室的开拓费用。

液压绞车在一定程度上解决了串电阻调速的缺点,但是在使用过程中,发现液压绞车易漏油,噪声大,传动效率低,维修工作量大,液压马达故障率高等问题,这些问题都造成系统后期的运行费用很高,因而液压绞车并不是煤矿安全生产的最佳产品。

防爆变频绞车的问世,使矿井提升机的装备水平发生了质的变化。

目前变频绞车已成为市场的主导产品，其主要特点如下：

1）,结构紧凑、体积小、移动方便、用于矿山井下可节省大量开拓费用。

2）,安全防爆,适用于煤矿井下等含有煤尘，瓦斯或其它易燃易爆气体的场所。

3）,变频绞车是以全数字变频调速为基础,以矢量控制技术为核心，使异步电机的调速性能可以与直流电机相媲美。

表现在低频转矩大、调速平滑、调速围广、精度高、节能明显等。

4）,采用双PLC控制系统,使斜井绞车的控制性能和安全性能更加完善。

5）,操作简单、运行安全稳定、故障率低、基本免维护

2,用途及适用围

变频绞车电控系统,适用于交流异步电动机（绕线型或鼠笼型）驱动的单滚筒或双滚筒缠绕式绞车。

既可以与新安装的绞车配套使用,也适合于对老绞车电控系统的技术改造。

　变频绞车电控设备适用于以下场所：

1）,海拔高度不超过1000米,如超过这个海拔高度,元器件在功率、容量方面应按海拔高度的增加,适当降容使用。

2）,周围环境温度不高于+40℃,不低于-20℃；

3）,相对湿度不超过95±3％；

4）,在无淋水、滴水、无剧烈振动和颠簸的地点使用;

5）,没有强磁场作用；

6）,防爆设备适用于煤矿井下等含有煤尘,瓦斯或其它易燃易爆气体的场所。

3,技术参数

1）,电机型式及调速方式：

电机:

交流异步电动机,推荐采用鼠笼电机；

单机最大容量:

660V,500kW;1140V,630kW；

电机电压等级:

380V,660V,1140V;电压波动围:

±10％；

调速方式：

交流异步电动机变频调速；

主回路:

交-直-交电压型；

功率器件:

IGBT或SKiiP。

2）,控制方式:

PLC双线制控制。

3）,适用围:

井下暗斜井、暗立井;地面斜井、立井;单水平、多水平;单滚筒、双滚筒。

4）,产品类型:

隔爆型;矿用一般型;普通型。

4,注意事项

1）,变频绞车电控设备主要由电力电子器件和半导体集成电路等组成,在运输及安装过程中,严禁水泡雨淋,要尽量避免强烈的震动,尽量垂直运输。

长期不用时,应存放在清洁干燥的地方。

储存与使用场所严禁有害气体和湿度超标,防止电子元器件及有关设备受腐蚀损坏。

2）,防爆设备,在出厂前均已按要求装配调试合格,严禁用户改动装置壳体结构和电气元件,以确保本产品的防爆性能和电气性能。

3）,严禁对变频器进行耐压和绝缘测试。

4）,严禁对现场调试好的设备的电气参数和软件私自随意修改。

5）,严禁擅自改变设备使用电压等级,更换使用对象和使用功率。

6）,设备安装时,应严格按照厂方提供的图纸施工。

严禁在强磁场附近安放和使用。

变频器供电电源要求采用独立的变压器就近供电;供电回路馈电开关,应尽量采用电控厂家所推荐的开关;变频器的输入与输出电缆应采用屏蔽电缆,电缆屏蔽层尽可能多处接地,并且应尽量避免与通讯线,瓦斯检测装置和检测线及一些电子仪器仪表等在同一巷道,同一地方相邻。

如果相邻，距离要求大于500mm。

二、系统组成

变频绞车电控系统是由变频调速系统，PLC控制系统，信号系统三部份组成。

变频调速系统是根据PLC控制系统发出的控制指令，通过对绞车交流异步电动机转矩和频率的控制,来完成对绞车运行速度的控制。

交流异步电动机采用了矢量控制技术后,使异步电机的调速性能可以与直流电机相媲美。

表现在低频输出转矩大、调速平滑、调速围广、精度高、节能明显等。

PLC控制系统主要完成绞车从启动、加速、等速、减速、爬行到停车的整个运行过程的逻辑控制；行程测量、控制与指示；故障检测、报警与保护；安全电路及液压站工作制动与安全制动控制等。

PLC控制系统极提高了控制系统本身的安全可靠性，使绞车控制性能和保护性能更加完善；使控制系统的硬件组成和线路更加简化；操作和维护更加容易。

PLC控制系统受信号系统控制与闭锁。

信号系统是根据上下井口和各个中段的生产情况,在具备开车条件后，由各水平信号工以打点的形式,通知司机按要求开车,同时与PLC控制系统之间有各种信号闭锁,可避免因司机误操作造成安全故障。

信号系统部有严格的逻辑闭锁和安全保护功能，并有信号显示，声光报警和通话功能。

三、变频调速系统

（一），基础知识

1,异步电动机的转速:

异步电动机定子磁场的旋转速度被称为异步电动机的同步转速。

由于当转子的转速达到电动机的同步转速时其转子绕组将不再切割定子旋转磁场，因此转子绕组中不再产生感应电流，也不再产生转矩。

因此异步电动机的转速总是小于其同步转速。

异步电动机的同步转速由电动机的极对数和电源频率所决定。

同步转速：

转差率：

电动机的转速：

其中：

n———电动机转速，r/min；

ns———同步转速，r/min；

f———电源频率，Hz；

p———电动机极对数；

s———转差率。

2，三相异步电动机调速方法：

根据异步电动机的转速表达式可知，异步电动机的调速通过改变极对数，

改变转差率和改变频率三种方式。

现归纳如下：

变极调速------仅适用于笼型异步电动机

变转差率调速

a，调节转子电压

b，转子串电阻------仅适用于绕线式电机

c，串级调速------仅适用于绕线式电机

变频调速

a，交—直—交变频

b，交—交变频

电磁转差离合器调速

3，变频调速:

变频调速是通过改变电动机定子供电频率f来改变同步转速ns,从而实现交流电动机的调速。

4，交—直—交电压型变频器:

先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率的交流电。

由于中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，相当于阻抗为零的恒压源，因此这种变频器属于交-直-交电压型变频器。

5，IGBT（IsolatedGateBipolarTransistor，隔离门极双极型晶体管）：

是目前广泛应用于中小容量变频器中的一种半导体开关器件。

由于它集功率MOSFET和功率晶体管的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度快等特点。

6，IPM（IntelligentPowerModule，智能功率模块）：

是一种将功率开关器件及其驱动电路，保护电路和部份检测电路等集成在同一封装的集成模块。

目前的IPM一般采用IGBT作为功率开关器件，通过接口电路对IGBT进行驱动，并同时具有过流、短路保护，过温保护等保护功能。

其功率损耗小，发热低，为解决防爆变频调速装置的散热问题提供了有利的条件。

7，PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）控制：

在逆变器中对半导体开关元器件按一定规律控制其导通与关断，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。

改变脉冲宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，改变调制周期，可以控制其输出频率。

如果所获得的矩形脉冲电压是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形就叫做正弦脉宽调制波形（SPWM）。

8，矢量控制：

矢量控制的基本思想就是按照交流电动机产生与直流电动机磁场等效的原则，将交流电动机的定子电流分为产生磁场的励磁电流分量和与其相垂直的产生转矩的转矩电流分量并分别加以控制。

由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量，故这种控制方式被称为矢量控制方式。

采用矢量控制方式后使交流电动机调速性能可以与直流电动机一样好。

9，发电运行状态：

绞车在重物下放或重物上提的减速段，电机的同步转速小于实际转速，这时电机中电磁转矩方向和转子的旋转方向相反，电机是处于发电制动状态。

10，动力制动（直流制动）：

在电机定子上施加直流电源，在定子形成一固定磁场，当转子旋转时在转子生成的感应电流所产生的转矩方向与转速方向相反，形成制动转矩。

11，能耗制动：

对于二象限交-直-交电压型变频器，电机处于发电状态时的再生能量通过逆变器进入直流回路，使直流母线电压升高，制动单元实时采样直流母线电压值，当其值升到某一阈值时，制动单元接通制动电阻将这部份能量消耗在电阻上。

12，回馈制动：

对于四象限交-直-交电压型变频器，电机的再生能量通过逆变器进入直流回路后，可通过可控整流器回馈到电网中。

可控整流器可采用整流/回馈单元和AFE回馈单元两种形式。

a,整流/回馈单元：

整流/回馈单元是由两组晶闸管三相全控桥反并联构成的，逆变桥是通过一台自耦变压器接到电网上。

当电机产生再生能量使直流母线电压升高时，逆变桥可将这部份能量通过自耦变压器回馈电网。

b,AFE回馈单元:

整流器与逆变器具有相同的主回路结构，是由IGBT模块组成。

其显著特点是电源侧电流波形为正弦波；功率因数可调；可工作在电动或发电状态；有电压提升功能可补偿电网电压降低的影响；在发电状态时，当电网电压消失时不会造成逆变失败。

二），三种常用的变频器在提升机系统中的应用

1，二象限变频器：

二象限变频器配上制动单元和制动电阻后，可以进行四象限运行。

由于电动机的再生能量完全消耗在电阻上，浪费了大量的电能，因而这类变频器适用在小功率的电机上，并且也适用在非防爆的矿井提升机上。

图示交-直-交电压型变频器主回路是由交-直变换电路，直-交变换电路和能耗制动电路组成。

1），交-直变换电路

交-直变换电路就是整流和滤波电路，其作用是把电源的三相交流电变换成平稳的直流电。

整流电路采用的是由二级管组成的三相全波整流电路。

滤波电路是由若干个电解电容器串并联而成。

因为电解电容器的电容量有较大的离散性，使它们承受的电压不相等，通过在每个电容器上并联阻值相等的均压电阻来均压。

2），直-交变换电路

三相逆变桥的功能是把直流电变换成频率可调的三相交流电。

逆变电路中的功率开关器件目前主要采用的是IGBT，IGBT的栅极接受控制电路中SPWM调制信号的控制，将直流电压变成三相交流电。

与IGBT并联的二极管构成续流电路，可为电动机绕组的无功电流及电机的再生能量反馈到直流电路提供通路。

3），能耗制动电路

在下放重物或减速时，电动机的同步转速低于转子转速，电动机处于发电制动状态。

电动机的再生能量经逆变侧续流二极管全波整流后反馈到直流电路，由于直流电路的电能无法通过由二极管组成的三相整流电路回馈到电网，因而使直流电压升高，当直流电压超过一定值时，制动单元接通制动电阻，使直流回路通过制动电阻释放能量。

这种通过消耗能量而获得制动转矩方式就属于能耗制动。

二象限变频器无法实现将电机的再生能量回馈到电网，是靠能耗制动来获得制动转矩的，因而造成电能浪费；另外，整流桥只有在电源的线电压大于电容器两端的直流电压时才有冲电电流，因而冲电电流总是出现在电源电压的峰值附近，呈不连续的冲击波形式，具有很强的谐波成份。

5次和7次谐波分量约占总谐波的80%和70%。

2，带整流/回馈单元的变频器：

带整流/回馈单元的变频器属于四象限变频器。

整流/回馈单元是由两组6脉动晶闸管三相全控桥反并联构成的，逆变桥是通过一台自耦变压器接到电网上。

当电机产生再生能量使直流母线电压升高时，逆变桥可将这部份能量通过自耦变压器回馈电网。

整流/回馈单元为了工作在发电状态，必须将加在逆变桥上的电压提高20%，用自耦变压器来实现这种电压配合。

带整流/回馈单元的变频器的主要缺点是功率因数低，电流谐波含量大，并且当变频器工作在逆变状态时，如果电源电压消失容易造成逆变失败。

3，AFE变频器：

AFE变频器是目前性能最好的电压型四象限变频器，其整流回路与逆变回路具有完全相同的主回路结构，主要特点如下：

1）,具有由IGBT组成的自换向整流器；

2）,电网侧电流波形近似为正弦波，无谐波污染；

3）,电网侧功率因数可人为设置；

4）,直流母线电压升高时能实现回馈制动；

5）,有电压提升功能可补偿电网电压降低的影响；

6）,在发电状态时，当电网电压消失时不会造成逆变失败。

（三），ZJT-200四象限隔爆型变频器

ZJT-200隔爆兼本安智能变频调速装置是我公司在引进国外先进的变频调速技术和主要元器件的基础上开发的适用于煤矿井下有防爆要求的四象限变频调速装置。

1,主要特点：

1）,采用全数字无速度传感器矢量控制，使系统调速围宽，调速精度高，变频器在低频运行时也保证有100%额定转矩输出。

最大转矩为额定转矩的2倍，0.5Hz可达到1.7倍的起动转矩。

2）,采用AFE自换相技术，在绞车减速或重物下放时，能自动将电动机的再生能量反馈至电网，实现回馈制动，节能效果明显。

3）,网侧变频器采用单独的CPU实行PID控制，对网侧交流电流的大小和相位进行实时检测和控制，使网侧功率因数接近于1。

网侧变频器采用了SPWM控制，使输入电流波形为正弦波，大大减少了对电网的谐波污染，总谐波电流含量小于0.5%。

4）,变频器采用交-直-交电压型主回路，整流器与逆变器结构相同，功率器件采用SKiiP模块（一种IPM模块），散热器采用高效能的热管散热器，因而使整个变频器结构紧凑，体积小，节省了安装面积。

5）,变频器具有过流，短路，过压，欠压，过温，缺相等保护，安全可靠

性高。

2，设备组成：

ZJT-200型变频调速装置是由输入电抗器箱（+VFD1）和变频器箱（+VFD2）组成。

变频调速系统是由主回路和控制回路组成。

主回路是由旁路接触器，充电电阻，输入电抗器，滤波电容器和6组SKiiP模块组成。

由6组SKiiP模块组成二组三相全控整流电路，其中一组为整流器，另一组为逆变器。

控制回路是由隔离变压器，控制电源板，主控板（整流侧和逆变侧各一块），PIB板（整流侧和逆变侧各一块），显示屏（整流侧和逆变侧各一块），PID板（只装在逆变器上）组成。

充电接触器，充电电阻，输入电抗器等装在输入电抗器箱，其它器件装在变频器箱。

3，设备功能：

1）,输入电抗器箱:

箱体主要元器件及其功能如下:

输入电抗器:

输入电抗器的电感量是按通入变频器额定电流时其阻抗压降为电源相电压的15%计算的。

其主要功能为：

*作为储能元件，使电感上的电压与电源电压的相量和高于电源电压，从而可以提高变频器直流母线电压，为能量回馈制动作好准备。

*抑制由电源回路流入的浪涌电压和电流；

*衰减由变频器产生的或外电路流入的谐波电流；

※充电电阻:

用来限制电容器的充电电流。

※旁路接触器:

当直流母线电压上升到一定值时,自动旁路充电电阻。

※变频器控制回路变压器:

800VA,660V（1140V）/380V,为变频器箱电源板提供三相380V电源。

※PLC控制回路变压器:

1200VA,660V（1140V）/110V,24V,为PLC控制箱提供电源。

※熔断器RU1、RU2:

用来保护PLC控制回路变压器。

※制动油泵控制回路:

由断路器Q1,接触器K1,热继电器KH1,油泵选择接触器K2、K3组成。

为液压站制动油泵提供电源。

※润滑油泵控制回路:

由断路器Q2,接触器K4,热继电器KH2,油泵选择接触器K5、K6组成。

为润滑站油泵提供电源。

2）,变频器箱:

变频器所采用的功率器件和控制板件均为进口产品,其主要功能如下:

※可控整流器:

由三组SKiiP模块组成三相全控桥。

由MSC2控制板通过接口板

（PIB）对三相全控桥实行SPWM控制，可实现能量在电源侧和直流侧的双向传

输，同时系统可将电源侧的功率因数调整到任何希望的数值，且电源侧的电流

为近乎完美的正弦波。

SKiiP模块是一种集功率半导体器件，驱动电路，检测

电路，保护电路等为一体的智能功率模块（即IPM模块）。

可控整流器的参数

设置和运行参数及故障参数显示均在整流器上的显示屏上完成。

可控整流器的

主要功能如下：

*能将电动机的发电制动能量回馈到电网，实现回馈制动；

*置的PID控制器动态调整输入电流，使直流母线电压稳定在设定值上，不受电网电压的波动而变化；

*电源侧功率因数为1；

*电源侧电流接近正弦波，谐波含量小于5%；

*具有过压、欠压、短路、过流、过载、过温等保护。

※滤波电容器:

主要作为直流回路滤波和储能用,能为电机提供所需的无功功

率。

由于用作滤波的电解电容器的电容量有较大的离散性，使它们承受的电压

不相等，通过在每个电容器上并联阻值相等的均压电阻来均压。

※逆变器:

由三组SKiiP模块组成三相全控桥。

由MSC3控制板通过接口板

（PIB）对三相全控桥实行PWM控制，可实现能量在电机侧和直流侧的双向传输。

由于采用了矢量控制技术，使交流异步电动机的调速性能与直流电动机的几乎相同。

逆变器的参数设置和运行参数及故障参数显示均在逆变器上的显示屏上完成。

加装在逆变器主板上的两块PID板分别用来输出电机的电流和频率。

逆变器的主要功能如下：

*最大输出转矩可达到变频器额定输出转矩的2倍，并能持续一分钟；

*低频运行时输出转距能达到100%变频器额定输出转矩；

*调速平滑，调速围广（1：

10），精度高（<0.5%）；

*具有过压、欠压、短路、过流、过载、过温等保护。

4，相关参数设置：

1）,整流侧

a）F00REFERENCES（参考源）↙

F01BUSLEVEL（直流母线电压参考源）↙

R01VPRESET1（直流母线电压预置值）1130VDC

b）G00INPUT/OUTPUT（输入/输出）↙

G01RUNCOMMAND（运行命令）↙

G02ENABLE（使能端有效）

G04RELAY1（继电器1）↙

O01RUN（运行）

G05RELAY2（继电器2）↙

O01RUN（运行）

2）,逆变侧

a）B00MOTOR（电机）↙

B01MOTORVOLTS（电机额定电压）电机额定电压

B02MOTORAMPS（电机额定电流）电机额定电流

B03MOTORHz（电机额定频率）50Hz

B04MOTORRPM（电机额定转速）电机额定转速

b）C00PERFORMANCE（电机工作特性设定）↙

C01MINHz（最小频率）0Hz

C02MAXHz（最大频率）50Hz

C03RAMP（升/降速设置）↙

C04AECELTIME（线性升速时间）现场设定

C05DECELTIME（线性降速时间）现场设定

C07FLUXPLUS（磁通补偿）现场设定

c）D00PROTECTION（保护功能）↙

D01CURRENTLIM（电流限制）电机额定电流*1.5

D02I²t（I²t保护）电机额定电流*1.2

D05REVERSE（反转）↙

H00ENABLE（有效）

d）E00STOP/START（停止/起动）

E01STOPPING（停止）↙

E03COAST（自由停车）

e）F00REFERENCES（速度基准）↙

F01REMOTE（远距离控制）↙

R00AN1（模拟量输入1）↙

R01AN1ZERO%（零值）0.0%

R02AN1SPAN%（最大值）125%

f）G00INPUT/OUTPUT（数字量输入/输出）↙

G11DIGIN1（数字量1输入）↙

I07RESET（复位）

G12DIGIN2（数字量2输入）↙

I03FWD（正转运行）

G13DIGIN3（数字量3输入）↙

I04REV（反转运行）

G14DIGIN4（数字量4输入）↙

I11REMOTE（远方控制）

G15RELAY1（继电器1）↙

O00RUN（运行）

G16RELAY2（继电器2）↙

O01TRIP（故障）

P01LAnalogopt（左侧PID板模拟量输出）V04Amps↙

P02LZeroopt%（零输出）0%↙

P03LMaxopt%（最大值输出）100%↙

P04LMinopt%（最小值输出）0%

P01RAnalogopt（右侧PID板模拟量输出）V01Hz↙

P02RZeroopt%（零输出）0%↙

P03RMaxopt%（最大值输出）125%↙

P04RMinopt%（最小值输出）0%

5，使用说明：

1）,变频调速装置为电力电子器件组成，在运输过程中应尽量避免强烈震动，且尽量垂直运输。

2）,变频器上的散热器为薄铜管制成，在运输过程中不能强烈碰撞，以免造成损坏。

3）,变频器应尽量安装在干燥通风的区域，变频器上散热片距离墙壁或遮挡物的距离应大于1.0米，以保证变频器散热与通风良好。

4）,变频器上的散热片应定期清洁，以保证其良好的散热效果。

清洁时不要用水冲洗，以免水渗到箱体部，造成元器件损坏，可采用干布、毛刷或皮老虎之类的物品除尘。

5）,变频器在带电情况下，严禁松动隔爆壳紧固件，在检修或处理故障时，请注意“断电源后开盖”。

（注：

本安接线腔不受此限制）

6）,变频器应可靠接地。

7）,在防爆主腔进行操作时，手上必须带接地导线或静电环。

8）,禁止对变频器主回路和控制回路进行耐压和绝缘试验，如对与变频器相连的设备进行耐压和绝缘试验时,应先将与变频器相连的电路切断。

如对变频器电源侧相关设备或电缆进行耐压和绝缘试验时，必须先把与输入电抗器箱上的L1、L2、L3端子相连的电缆断开。

如对电机或电机侧电缆进行耐压和绝缘试验时，必须先把与变频器箱上的U、V、W端子相连的电缆断开。

9）,变频器输出端不允许加装电容器或阻容吸收装置。

10）,变频器输入电抗器防爆接线腔的R.S.T端子必须要与变频器防爆接线腔的R.S.T端子一一对应。

变频器整流侧PIB板上的三相电源相位应与输入电抗器箱进线电源相位一致。

变频器主回路输入输出线严禁接反。

11）,打开变频器与输入电抗器的防爆主腔，察看腔体有无脱落的螺栓,螺母,平垫及弹垫，主回路有无松动，IPM驱动线有无松动及其它