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變頻器在卷揚機操控系統的應用

 

變頻器在卷揚機操控系統的應用


    在我國各類礦山中,卷揚提升機普遍采用串電阻調速。這套裝置存在著很多缺陷,例如故障率高、維護費用高、運行效率低、制約生產發展等。為了提高生產裝備技術水平,提高生產能力,我公司研制開發了金礦月卷揚機變頻操控系統。

    一、原卷揚機系統簡介

原卷揚機系統主要由主軸裝置、減速機、繞線式電機、盤形閘、液壓站、深度指示器、天輪、配重、井架、電源柜、加速控制柜、動力制動柜、電阻柜等組成,如圖1所示。該系統在我國各礦區被普遍采用。

    該系統的工作原理是通過改變電動機正反轉來實現罐籠上升與下降,而速度的改變則靠改變串入繞線式電機轉子的電阻來實現的。其優點主要表現在機械抱閘制動方面。該抱閘裝置控制方便,可靠性高,在長期使用中性能穩定,并且操作簡單,便于系統連接。

    這套系統的缺點也是明顯的,主要表現在系統組成復雜,體積龐大、操作復雜、故障率較高。從實際系統中我們可以清楚地看到,各單元、各元件之間的連線達數百條;電阻器頻繁燒毀,電機銅頭、刷架、電刷等經常出現故障等。另外,由于控制系統煩瑣,給檢修維護帶來很大困難,也是該系統的主要缺點之一。

    從系統運行情況,我們不難看出,原卷揚機系統為有級變調速,動態速度變化不平穩、調速范圍小,對罐難度很大,操作不易掌握,尤其是運行不穩增加了設備磨損。另一方面,當系統低速運行時,電機的轉差率大,相應的轉差功率完全轉化為熱量消耗掉。所以,該系統只是一種低效率、高消耗的調速裝置。

    我們知道,對于交流電機調速來說,改變電源電壓、電源頻率或電機的極對數均可改變電機轉速。而對于原系統,電機極數和施加于定子側的電源頻率均不變,因此,電機的同步轉速也不變,所謂調速,實際是通過串聯電阻改變定子繞組上的電壓,這就使電氣傳動的穩態調速精度大大降低同時,由于串入電機轉子回路的電阻阻值不能無級變化,所以無法實現平滑調速。

    我們還應注意的一點是原系統即使在再生能量回饋狀態下仍然消耗大量的電網電能,例如,空罐上升時,電機處于發電狀態,所產生的再生電能全部消耗在電阻上,并且由于系統處于制動狀態,串入的電阻同樣消耗大量的電能。這就是該系統的致命缺點之一。

    二、卷揚機變頻操控系統簡介

    變頻調速是目前交流異步電動機最理想的調速方式,它模擬直流電機的調速方法,并考慮了電動機動態性能要求,具有無級調速、響應迅速、運行平穩、控制靈活等特點,廣泛應用于各個領域。

然而,迄今為止,變頻器在冶金、礦山等行業的還沒有開拓出應有的應用,尤其是礦井卷揚機提升設備的變頻改造,全國尚無成功范例。2001年,金蟾山金礦與歐瑞傳動有限公司合作,研制開發了“卷揚機變頻操控系統”,用于本礦的新建礦井中。該系統的研發和投入使用,在全國尚屬首次。

 

 

    “卷揚機變頻操控系統”由變頻柜(包括變頻器、泄放單元、泄放電阻)、操控臺等組成,如圖2、圖3所示。整套系統體積小、重量輕、操作使用方便可靠,并且完全沿用礦山設備的操作習慣。事實上,單從系統外觀上看,新系統比原系統就有很大的優越性:原系統共有四個電控柜或電阻柜和一個操作臺,而“卷揚機變頻操控系統”只有一個變頻控制柜和一個操作臺。

    泄放單元和泄放電阻的作用主要是泄放電機產生的再生能量。變頻系統本身帶有軟制動,為了安全起見,繼續應用了原系統的液壓抱閘裝置,作為安全保障。

    變頻調速器是通過改變電動機輸入電源的頻率來調節電機轉速的,因此調速范圍很寬,可以達到0~400Hz。頻率調節精度為0.01Hz,基本上實現了無級調速。所以,采用變頻器后,電機可以實現真正意義上的軟啟動和平滑調速。并且,變頻器提高了輸入電源的功率因數,在基頻以下為恒轉矩輸出,輸出功率隨轉速變化,因此具有很好的節電效果。

    “卷揚機變頻操控系統”的創新點之一就是在卷揚機系統中采用了泄放單元,該裝置包括開關電源、電壓采樣與處理電路、脈沖信號發生與觸發電路、保護電路、IGBT驅動電路及IGBT功率模塊等。裝置外設調節旋紐,可用來調節泄放的閥值電壓和泄放速度。裝置分別與變頻器和泄放電阻連接。其中泄放電阻的大小直接影響泄放速度。

    “卷揚機變頻操控系統”的另一技術創新點就是在變頻器內部設置了“PLC”功能,從而可以靈活控制液壓抱閘裝置,使之完成放開、抱閘和適度抱閘等不同操作功能。此處,液壓抱閘裝置為原系統所用,其機械可靠性早已得到證實。

    操作臺在外觀上保持了原來風格,但內部控制系統和外部指示均為全新設計。操作繼續沿用以前習慣,主令開關手柄改為無級調速手柄,用于動態調速。另外,加設了“緊急制動”按鈕和“非常制動”按鈕,以提高制動的可靠性。一般地,當變頻器發生故障時,系統自動輸出異常信號,控制系統安全抱閘。如果自動抱閘線路出現故障而不能準確執行功能時,操作“緊急制動”按鈕可以緊急制動;如果“緊急制動”功能也失效,則可起用“非常制動”,按下該按鈕,即可切斷接觸器線圈的控制電源,直接啟動抱閘裝置,從而達到最可靠的制動。

    總之,“卷揚機變頻操控系統”具有很高的技術含量和很好的技術優勢,這主要體現在:

2.1  實現了電動機的軟啟動。

2.2  實現了無級平滑調速,可在靜態或動態任意調整電機轉速。

2.3運行平穩,無轉差沖擊,延長了機械系統的使用壽命。

2.4響應迅速,控制靈活,便于實現集中控制和系統集成。

2.5集信號處理、運行控制、電子制動、機械制動、安全保護為一體,提高了設備的整體功能。

2.6操作直觀簡便,駕馭輕松自如。

2.7節能率高。

三、系統的操作使用

卷揚機變頻操控系統的操作使用十分簡單。操控臺的操作面板如圖4所示。具體操作如下:

3.1  合上變頻器電源開關(即R、S、T輸入進線開關),鍵盤控制器的顯示器顯示“-HF-”,約2秒后變為“0”。

3.2先將制動手柄應拔到“關”的位置,調速手柄調到中間,即“零”位置,然后打開電鎖。

3.3分別按油泵、變頻器的“啟動”按鈕,顯示器顯示仍為“0”。此時“電源指示”燈、“抱閘指示”燈亮。

3.4給出方向信號(即正轉或反轉信號)后,按鍵盤控制器上的“運行”鍵,同時配合操作制動手柄和調速手柄。此時,變頻器輸出由0HZ開始逐漸上升,如果輸出頻率低于F18(抱閘限制頻率)的設定值,則系統自動抱閘運行(即電機堵轉運行),制動手柄不起作用。而當輸出頻率大于F18設定值時,“自動抱閘”裝置停止工作,制動手柄開始起作用,系統制動靠手動抱閘。卷揚機進入正常運行操控狀態.

3.5升降速度的快慢由調速手柄控制。當需要快速停車時,可將調速手柄反向扳到中間位置以下,即可停車。停車后,應將調速手柄調回到中間位置。如果改變方向反向運行,可反向操作調速手柄。此時無須再按“運行”鍵。

3.6  當變頻器發生“OC”(過流)、“OE”(過壓)、“OL”(過載)等保護時,變頻器關斷輸出,系統自動抱閘制動..此時,應將制動手柄和調速手柄恢復到初始位置(中間位置),然后按一下鍵盤控制器上的“復位”鍵,則顯示器由故障顯示變為“0”;再按一下運行鍵,此時如果故障消除,系統恢復運行,否則,繼續處于保護狀態。

    注:初次上電時也需按一下運行鍵才能運行,如此設置是為了提醒操作者不要忘了將制動手柄和調速手柄復位。

3.7  “泄放阻尼”旋鈕置于“開”位置時,當配重下放過程電機處于發電狀態時,制動單元有可能工作。制動單元工作時系統自動適度抱閘(約為完全抱閘時抱緊力的1/5)。

3.8本系統萬一出現異常情況,如“失控”時,可立即按下“緊急制動”按鈕或“非常制動”按鈕,或者直接關掉電鎖(也可斷掉整個系統總電源),即可啟動抱閘裝置,系統處于“完全抱閘”狀態,從而保證人身和設備安全。

  3.9.1  調節運行手柄的運行頻率:當正向運行推到最大值而頻率不能達到50Hz時,測量此時電腦板上端子排V2、V3間電壓,將F19功能碼設為該值;當反向運行推到最大值而頻率不能達到50Hz時,測量此時電腦板上端子排V2、V3間電壓,將F20功能碼設為該值。

  3.9.2 F30功能碼用來選擇停車方式:即自由停車或減速停車;當選擇減速停車時,可通過F15功能碼的設定確定減速時間。

  3.93 F16/F17功能碼為變頻器正常工作時的加速和減速時間,通過調節這兩個參數,可調節變頻器運行時頻率變化的快慢。

四、系統的使用效果

    由于“卷揚機變頻操控系統”應用現代微電子控制技術和電力電子技術,采用空間電壓矢量控制方式,使交流電機調速獲得了質的飛躍,克服了原調速方式的諸多缺點,通過對本項目的評測,節電率達45%,每年可節約電費11.17萬元。

    金蟾山金礦現有7臺卷揚提升機,裝機容量為510Kw。若全部改為變頻操控系統,每年可為企業增加經濟效益55.8萬元。如將全國礦山提升機用的串電阻調速都改用變頻調速,那么,每年僅節電一項就可實現經濟效益上億元甚至上百億元。

經過在礦井六個多月的運行,“卷揚機變頻操控系統”顯示出自動化程度高、功能豐富、性能穩定等諸多優點。因此,在全行業內推廣該系統對提高企業的經濟效益、推動整個社會的科技進步和技術水平的提高都有十分重要的意義。

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