艾默生CTSP系列变频器在矿井提升系统中的应用———艾默生CTSP系

　　
  摘 要：简要介绍了艾默生CT SP系列变频器的容量选择、外接制动电阻、控制回路的抗干扰措施及变频器的故障诊断与日常维护等方面的应用。      
                                                           
  关键词：容量选择；制动电阻；抗干扰；故障诊断；日常维护；应用
  
引言

        矿井提升设备在按对供电可靠性要求的负荷分类中，属于二级负荷，是矿井运输的主要环节，主要任务是提升井下的矸石、煤和废石，同时还要运送人员、设备和材料，因此矿井提升机工艺对电气传动的要求是很高的。主要表现在：第一，提升机电气传动的可靠性，不仅关系到矿井的生产能力和生产计划管理，而且直接关系到井下每个矿工的生命安全，电控设备的任何故障都可能造成人身事故和整个矿井停产。第二 ，必须满足提升机力图要求并能在四象限平滑运行。第三，能够频繁进行正向、反向、启动、运行、停车、制动，能按一定的速度图运行。第四，负载属于恒转矩负载，对矿井提升机来说，负载转矩的大小，仅仅取决于负载的轻重，而与转速的大小无关。
  
        矿井提升过程一般包括：启动加速、等速、减速、爬行和停车五个环节。目前我国传统煤矿提升机广泛采用交流绕线式感应电动机拖动。根据感应电动机转子回路串电阻调速的机械特性，当在转子回路串接附加电阻后，机械特性硬度降低，稳定性受到影响。一般调速范围不大于（2~3）。另外转子回路的电流较大，不宜长时间低速运转。在启动加速过程中，为了既不出现不容许的过载，又能发挥电力拖动的最大工作效果，要求提升各环节依一定的顺序在适当的时间内完成，以保证在各环节过渡中电动机的电流和转矩不超过允许的极限值。目前一般采用以电流为主、时间为辅的控制原则，既通过检测电流和时间来切换转子电阻；在减速过程中，一般采用断开三相电源投入直流电流进行动力制动减速，同时投入合适的转子电阻。为保证减速度符合有关煤安要求，一般在机械传动部安装凸轮盘，通过凸轮盘曲线调整注入到电动机直流电流的大小，使得负载按设定的速度曲线运行。进入爬行阶段，由于速度降低，转子切割直流电流建立的磁场变慢，制动力降低，此时不能用直流制动进入爬行阶段，一般引入一套低频电源装置控制电机在低速爬行直到投入液压盘闸停车。通过以上对传统提升机电控介绍，为满足有关煤安对提升的加速度、减速度、速度运行曲线、正反向力的控制的要求，用感应电动机转子回路串电阻调速方式用于煤矿提升的控制电路极其复杂、由于负载的不确定，在减速阶段通过凸轮盘对注入直流电流的负反馈的电子电路调试难度非常大；特别是在进入爬行阶段需增加一套低频电源装置，在切换瞬间，整个控制系统会出现短暂失控状态。
  
        而新型的矿井提升机变频电控设备采用变频器作为核心部件，发展十分迅速。它在操控性能、节能，降低噪音，维护量等方面的优点非常突出。可以根本性的解决以上传统提升电控出现的所有问题。但各类变频器均有各自的使用特点和差异，本文就艾默生CT SP系列变频器在2.5米矿井提升机中的应用和选配作简单介绍。主井为立井，井筒深度325米，井架高度22米，主井采用的提升机为2JK-2.5×1.5/31.5型单绳缠绕式提升机，钢丝绳最大静张力为90kN,两根钢丝绳最大静张力差为55kN,原配电机为26OKW10KV绕线型三相异步电动机，所配电控为继电逻辑控制的串电阻调速电气控制系统。为了适应煤矿新形势的需要，满足煤安最新要求，将原电控系统改造成节能、便于维护与操作、技术先进价格合理的变频电气控制系统。
  
        经过多方考察与经济技术比较，改造后的电源将原10KV电压通过一个500KVA变压器降压为380V，主电机改为YVF400L4-10型355KW380V变频调速三相异步电动机，通过对多种变频器进行详细的技术、经济和综合性能比较，我采用了EMERSON CT CT公司的SP系列变频器，该电控系统已于去年成功使用，用户特别满意，节能效果比较明显。
  
变频装置主要技术参数
(1)输入电源电压AC380-480V，频率50HZ；电压允许波动范围+/-10％；频率允许波动范围48-65HZ；
(2)输出频率范围0～50Hz连续可调；
(3)额定重载输出功率：500kW。
(4)过载能力200%以上，1分钟；
(5)有较高的功率因数cOS(p>0．98；
(6)低频运转时，有自动转矩提升功能，能保证200％ 的额定转矩；
(7)变频器设有过压、欠压、过流、过载，功率元件过热和电机缺相等保护，设有故障记忆功能，能保留最近10次故障的功能号码和最后一次故障的参数；
(8)总谐波含量<5％。
  
主要技术原理

(1)采用全数字速度传感器闭环矢量控制，使系统调速范围宽、调速精度高。变频器在低频运行时，也保证有175％以上额定力矩输出。最大转矩为额定转矩的2倍，矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量问的幅值和相位，即控制定子电流矢量，这种控制方式称为矢量控制方式。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。新型矢量控制变频器具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。
  
(2)操作简便可靠，司机只用主令控制手把就可以实现绞车的起动、等速、减速、爬行和重物下放时操作，减轻了操作强度。
  
(3)当绞车作重物下放操作时，电动机变为发电机状态运行，此时系统能自动将电动机发出的再生能量消耗在制动电阻上。同时，制动力矩增大，保证了绞车下放时的安全性。
  
(4)双加／减速时间可根据提人和提物选择改变变频器内的加速度、减速度的不同值
  
(5)具备变频器谐波治理。
  
1、变频器容量选择原则 　　

        在提升机械中，选择电动机容量的依据是电机线圈的发热量。就是说，在电动机带得动的前提下，只要其温升在允许范围内，短时间的过载是允许的。若电动机以变速度和变力矩运转时产生的热量与此电动机以额定转速和固定力矩运转时产生的热量相等，就可以根据该固定力矩和额定转速来计算和选择电动机的容量，通常称此固定力矩为等效力矩。电动机的过载能力一般定为额定转矩的1.8-2.2倍。
  
　　当电动机和变频器以恒转矩工作时，在长时工作制（S1）下，EMERSON CT公司SP6及以上系列变频器的电流允许在闭环状态下60S内有50%的过载，对启动转矩和加速转矩提供一个足够的备用。由于矿井提升机属于恒转矩负载，因此变频器的基本负载电流最少要等于在所要求的负载工作点在满载转矩下的电机电流值。变频器的容量选择原则应符合以下原则：
    （1）由于矿井提升机属于重载启动运行，电机级数一般为6级以上，因此变频器的额定功率至少要比电机功率放大一至二档，并且变频器的重载最大持续输出电流要大于电动机的额定电流。一般来说，变频器额定功率为电机额定功率的1.3倍左右。
  
    （2）变频器的最大电流必须大于或至少等于电机的额定电流，在多电机传动下，大于或等于总的电机额定电流。否则过低的漏感会产生过高的电流尖峰，导致跳闸。
  
        由于主电机额定电流为720A，根据以上原则，并考虑到第一次配用，因此变频器重载最大持续输出电流选为900A，变频器型号为SP9414，正常负载下标称功率为560kW，重载下标称功率为500kW。
  
        为了使用闭环矢量控制功能，还需在主电机轴端安装一个正交增量型编码器，以及时反馈电机信号。
  2、自配外接制动电阻及选择
　　
　　矿井提升机在下放重物时，将产生大量的再生能量。对再生能量的处理方法有两种，一种是用制动单元和制动电阻来吸收，另一种是通过设置在直流公共母线上的整流回馈装置回馈到电网。由于整流回馈装置价格较贵，对电网的要求也较高，且矿井提升机的总工作时间并不长。综合性价比，一般采用制动单元加制动电阻的能耗制动方式。
  
        制动单元就是在直流母线回路中加接一检测直流母线电压的IGBT管，一旦直流母线回路电压超过一定的界限，该晶体管导通，并将过剩的电能通过与之相连接的制动电阻器转化为热能消耗掉。
  
        制动电阻的选择需考虑制动力矩（即通过制动电阻的电流）和制动功率（制动电阻消耗的再生电能）。SP9414变频器标配4个制动单元，4个制动单元的制动功率满足150%以上的制动力矩要求。这里只对制动电阻的阻值和制动电阻功率进行配置。提升机在整个工作过程中最大再生发电功率出现在减速阶段，此时负载（含钢丝绳）的动能和势能均需要考虑。
减速阶段再生发电电能：
A=（1/2MV02-1/2MV12+A1）*K    A再生发电电能，M钢丝绳质量和负载质量、V0减速点速度、V1停车时速度=0、A1减速点到停车点的势能、K回馈时的机械转换效率取0.7
减速阶段再生发电功率
P=A/T            P减速阶段再生发电功率   T=减速阶段减速时间
通过查资料得知：变频器SP9414每个制动单元所配制动电阻的最小电阻值为3.8欧，瞬时额定功率为160kW,每分钟平均功率为160kW。该系统每个制动单元实际所配制动电阻的最小电阻值为3.92欧，满足单个SP9414变频器单个制动电元要求。由7箱ZX26-0.56Ω100A，该电阻长时消耗功率为每箱5kW，考虑电阻的热时间系数，在周期60S内通电持速率为17.5%时瞬时功率消耗为28.35kW。满足系统要求。
  
3、编码器的选择

        本系统为大容量电机，工作电流较大，现场电磁干扰恶劣，因此编码器的选择尤为重要。编码器的供电电压尽量选高，且为差分。SP系列变频器目前支持市面主流编码器，电压达到DC15V。
  
4、变频器控制回路的抗干扰措施

        由于主回路的非线性(进行开关动作)，变频器内由于存在IGBT等高速开关的工作，在电路中会出现分布电感和分布电容，产生磁能和电能的转换，出现传导干扰和空间电磁辐射。而其周边控制回路却是小能量、弱信号回路，容易受干扰，造成变频器自身和周边设备无法正常的工作。因此，变频器在安装使用时，必须采取抗干扰措施：
（1）速度给定的控制电缆取1点接地，接地线不作为信号的通路使用。   
（2）电缆的接地在变频器侧进行，使用专设的接地端子，不与其它接地端子共用，并尽量减少接地端子引接点的电阻，一般不大于4欧姆。
（3）变频器前侧安装线路电抗器，可抑制电源侧过电压，并能降低由变频器产生的电流畸变，避免使主电源受到严重干扰。
（4）由于电网的波动，以及现场电源具有自动无功补偿装置，变频器输入侧加装输入电抗器尤其重要。
（5）变频系统的供电电源与其他供电电源相互独立。
（6）电动机和变频器之间的电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他的弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰。
（7）信号线采用屏蔽线，且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离（至少20cm以上），切断敷设干扰。
（8）变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电气设备的地线必须与变频配线分开，使用短线。这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。
（9）当电机电缆长度大于50m或80m(非屏蔽)时，为了防止电机启动时的瞬时过电压，减小电动机对地的泄露电流和噪声，保护电动机，应在变频器和电动机之间安装电抗器。
  
        变频器SP9414内置压降为2%的输入线路电抗器和有中心抽头的输出均流电抗器。增加进线电抗器可降低因相位不均衡或电网严重干扰造成驱动器损坏，同时降低谐波电流。

  5、变频器故障诊断与日常维护
   
        艾默生CT SP系列变频器的驱动器显示器显示驱动器的各种状态信息，分为以下三类：故障指示、告警指示、状态指示。如驱动器故障，驱动器输出即停止，驱动器不再控制电机。下排显示器显示故障类型，上排显示器显示故障信息。有关故障指示信息见用户手册表13-1。
  
在变频器日常维护过程中:
(1) 整流模块损坏 一般是由于电网电压或内部短路引起。在排除内部短路情况下，更换整流桥。在现场处理故障时，应重点检查用户电网情况，如电网电压，有无电焊机等对电网有污染的设备等。
(2) 逆变模块损坏 一般是由于电机或电缆损坏及驱动电路故障引起。在修复驱动电路之后，测驱动波形良好状态下，更换模块。在现场服务中更换驱动板之后，还必须注意检查马达及连接电缆。在确定无任何故障下，运行变频器。
(3) 上电无显示 一般是由于开关电源损坏或软充电电路损坏使直流电路无直流电引起，如启动电阻损坏，也有可能是面板损坏。
(4) 上电后显示过电压或欠电压 一般由于输入缺相，电路老化及电路板受潮引起。找出其电压检测电路及检测点，更换损坏的器件。
(5) 上电后显示过电流或接地短路 一般是由于电流检测电路损坏。如霍尔元件、运放等。
(6) 启动显示过电流 一般是由于驱动电路或逆变模块损坏引起。
(7) 空载输出电压正常，带载后显示过载或过电流 该种情况一般是由于参数设置不当或驱动电路老化，模块损伤引起。
  
6、结束语
          随着变频技术的不断发展，变频器的特性、性能及功能日益完善，如何更恰当、更合理地选择变频器是驱动控制系统设计成功的关键所在，如何利用变频器的功能使系统设计更加符合使用要求是设计发展的方向。变频器在矿井提升机中的应用也将越来越广泛。
  
参考文献
[1] 张艳宾.电动机变频调速图解.北京：中国电力出版社,2003.
[2] 周志敏，纪爱华.电磁兼容技术.北京：电子工业出版社,2007.
[3] Unidrive SP系列变频器用户手册,2007.