变频调速在提升机上的应用.doc

变频调速技术在提升机上的应用研究 一、选题的依据和意义 煤矿提升机是煤矿生产的关键设备，是矿井四大型运转设备之一，它肩负着提升矿井上、下人员、煤炭和物料的任务，其控制系统是否安全可靠，直接影响着矿井安全生产。 众所周知，矿井提升机分为交流拖动和直流拖动两种。直流拖动以其调速性能好，易于实现自动化等优点，在煤矿拖动容量大于1000kW和提升机速度超过10m/s的提升机上得到广泛应用。但直流拖动控制设备多，直流电机在煤矿上使用的电机中所占的比例较少，据统计，直流提升机仅占我国整个提升机的10左右，而且直流提升机从制造、使用到维护也都比交流提升机昂贵而复杂，因此人们迫切期望用交流拖动来代替直流拖动。但由于长期以来，电力控制技术没有突破性进展，矿井交流提升机多采用转子串电阻调速等高耗能有级调速控制，调速稳态性能和瞬态性能都不好。近年来，随着计算机技术和电力电子技术的发展，交流变频技术已日趋成熟，所以对交流提升机的调速系统进行分析研究，利用日益成熟的变频控制技术来取代原交流提升机控制系统，对提高提升机的安全控制性能具有非常重要的意义。 2000年，枣庄矿业集团公司高庄煤矿在多方面分析调研的基础上，利用焦作华飞电子有限公司生产的KTDK-PC-BPG型矿井提升机电控对原TKD老式电控系统进行了技术改造。该系统以西门子公司的全数字变频器组成的变频柜为核心，配以PC显示屏、FX2N可编程控制器、各种控制系统模块及转换器组成的主控分电阻柜、编码器等组成的硬件系统和灵活的软件系统，具有交流提升机过程全数字、安全回路双线制、控制组件模块化、参数显示随时化、报警内容语言化、调速过程程序化等特点，实现了国内矿井提升机调速控制系统的升级换代。 二、交流提升机调速系统国内外研究现状 长期以来，交流提升机调速系统电控一直处于落后状态。在国内交流提升机电控从模仿原苏联电控，部分改进到系列更新经历了漫长的道路，原KKX系统、TKD系统等调速系统，基本上沿用了从原苏联搬过来的提升机电机转子串电阻调速系统，转子串电阻调速为有级调速，机械性能软，负载变化时电机转速也跟着变化，调速性能不理想，且电能基本上消耗在电阻上，为高能耗调速系统，效率低。特别是提升机在负力提升时，转子中串入电阻将使电机转速的绝对值增加，造成在减速时中只能靠机械制动（贴闸皮）来实现减速，控制的稳定性较差。 进入到80年代末，原洛阳矿山机器厂全套设计生产了具有世界先进水平的全数字直流电控系统，结束了长期以来大型矿用提升机全套引用的历史，并缩小了我国矿用提升机与先进国家的技术水平的差距，并于90年代初开发配套了TKD-PC、JKMK/J-PC等矿井提升电控设备，并将可编程控制器技术引用到矿井提升机交流控制中，在矿用提升机自动化水平上跟上了世界先进水平，但在交流电动机调速领域仍采用转子串电阻调速，调速技术上没有突破。 随着近几年变频技术的日益成熟和发展，特别是随着矢量控制技术的发展，使变频控制交流电机的动态性能大为提高，交流电机调速产生飞跃发展，其调速性能一跃赶上直流调速系统。随着变频调速技术在煤矿风机、水泵等设备上的成功应用，将变频技术引入到提升机电控中已成为可能。国外对矿用提升机交流变频调速的研究和应用较早，1978年开始我国引用了多套德国西门子公司的交流变频调速系统，象淄博矿务局的许厂矿、潞安矿务局的常林矿、枣庄矿务局的付村矿也引进瑞典公司的交流变频电控系统，调速效果非常理想，它们均代表着世界提升机电控的先进水平，同时也给我们搞无级调速电控提供了范例。 山东新泰矿山机械厂曾推出使用大功率晶闸管控制交流绕线式电动机的无级调速方案，通过控制可控硅的通断比，改变电动机转子电阻实现电动机在额定转速以下的无级调速，该设备简单、安全、可靠，已在新汶矿业集团公司部分矿投入使用，但该系统只能在单筒绞车上，而且只能在绕线式电机上进行控制，对于广泛使用的鼠笼式电动机则无法进行控制，具有一定的局限性。 国产提升机交流变频装置投入应用最早的是枣庄矿业集团高庄煤矿。2000年10月，由我国焦作华飞电子公司自主设计的KTDK-PCBPG交流变频调速控制装置在高庄煤矿井下暗斜井投入工业性运行。该系统具有无级调速功能，能实现全自动开车，具有和国外变频提升机电控相媲美的控制特性。 唐山开诚有限责任公司也推出了ZJT隔爆兼本安型智能交流提升机变频装置，该装置采用全数字无速度矢量控制技术，能实现电动机四象限变频运行，调速精度高、性能良好，已在多个矿井投入使用。 国内提升机变频调速系统电压等级基本上都是在660V/380V等级。由于6kV电压等级变频器主要元件大功率晶体管GTR价格很高，而且目前国内还不能完全生产高质量的合格高压电力电子器件，所以6kV电压等级的变频调速还没在国产提升机上得到推广应用。 三、选题研究的主要内容 基于以上调研情况，我决定以变频调速控制对原矿井普遍使用的TKD电控进行技术改造为研究课题，根据我国目前矿井交流提升机电控装置的现状，我认为将交流变频调速技术应用到主提升机控制系统中，对原有的矿井TKD电控系统技术改造，技术上先进，方案上可行，能实现提升机控制的无级调速，并能实现煤矿安全规程规定的提升机必须有电气制动和机械制动两种功能。本文从现场工作需要出发，以解决现场生产中的实际技术问题为研究课题，选定枣庄矿业集团高庄煤矿轨道绞车改造为背景，主要研究以下问题 1、对原矿井TKD系统各运行环节进行分析，找出控制中存在的不足，找出解决方法。 2、通用变频器的工作原理和特性。 通过对通用变频器工作原理及输入输出特性的分析，研究变频器的实现方法。 3、本文拟采用的以西门子公司的全数字多控式6SE70型变频器为核心的变频调速拖动系统组成方案的研究。 4、变频拖动系统控制技术的研究。 通过对无速度矢量传感器控制技术、PWM调制技术和全数字控制技术在提升机拖动上的应用，研究变频调速技术在提升机上的控制方法。 5、变频拖动系统的实现及应用情况。对已经试运行成功的现场实例KTD-PC-BGP系统应用情况进行分析介绍。 四、拟解决的问题及预期成果 本课题研究方案是如何使用变频控制技术取代原落后的提升机控制技术。根据枣庄矿业集团高庄煤矿原使用的老式TKD控制系统的特点，提出使用交流变频对原TKD系统的具体改造方案 1、设计交流变频提升机的硬件系统组成、电路结构，确定变频器的工作方式，制定硬件系统的抗干扰策略。 2、提升机交流变频装置各参数的设置计算，对煤矿安全规程规定的提升机安全保护的设置方法。 3、系统控制及软件系统的设计。 本课题的研究目标是设计出一套适应于矿井提升机全数字变频控制装置，用于更新原有落后的交流提升机控制系统，实现矿井提升自动化，促进我国交流提升机电控系统产品的升级改造。 参考文献 1、顾永辉等，煤矿电工手册（三分册），煤炭工业出版社。 2、变速用变频器及配套设备选用指南，吴忠智等，机械工业出版社。 3、SIMOVERT MASTERDRIVES 使用说明书。 4、自动控制系统，陈伯时等，中央广播电视大学出版社。 5、变频器应用技术及电动机调速，黄立培等，人民邮电出版社。 6、矿井提升设备，中国矿业学院主编，煤炭工业出版社。 7、矿井提升机电气控制与发展，王安山等编。 8、矿井机械的自动化控制系统，姚承三等，中国矿业学院出版社。 9、微型机应用系统设计，李伯成等，西安电子科技大学出版社。 10、近代交流调速技术状况及发展动向，孟彦享等。 11、电机与拖动基础，王岩等，中央广播电视大学出版社。 12、半导体变流技术，孙树朴等，中国矿业大学出版社。 13、可编程控制器原理与应用，钟肇等，华南理工大学出版社。 14、可编程控制器应用技术，王也仿主编，机械工业出版社。 15、矿井大型固定设备技术测试，于修等，中国矿业大学出版社。 16、赵禧林、鲁宝珠，JTDK-PC-01型交流提升机可编程电控系统，煤矿机电，1996（3）。 17、马小亮，交变频交流调速，电气传动，1991（5）。 18、通用变频器及其应用，韩安荣主编，机械工业出版社。 19、矿井交流提升机全数字无环流交-交变频器的应用研究，左东升，中国矿业大学硕士论文。 20、全数字交-交变频低频调速装置的研究，矿山机械，2002（05）。 21、张立等，现代电力电子技术，科学出版社，1992。 22、胡崇岳，现代交流调速技术，机械工业出版社。 23、马小亮，大功率交-交变频调速技术及矢量控制，机械工业出版社，1996。 24、B K Bose,Recent Advance in power ELectronics, IEEE Trans, on power ELectronics, VOL.7. NO.1 ,Jan, 1992,PP2-14. 25、陈国成，PWM变频调速技术，北京机械工业出版社，1998。 26、王清灵等，现代矿井提升机电控制系统，机械工业出版社。 27、现代提升机数字控制系统，马建民等，中国矿业大学出版社。 28、电力电子学与变频传动技术和应用，B K 博斯，姜建国译，中国矿业大学出版社。 29、直流提升机计算机控制技术，何风有、谭国俊，中国矿业大学出版社。 30、变频调速应用实践，张燕宾编，机械工业出版社。 31、变频调速装置及其调试运行与维修，许振茂编，兵器工业出版社。 32、变频技术原理与应用，吕汀等编，机械工业出版社。 33、无速度传感器矢量控制原理与实践，冯垛生等编，机械工业出版社。 34、交流调速系统，陈伯时等编，机械工业出版社。