Vacon 變頻器在礦井提升機中的應用

1．引言
礦井提升電機優越的制動性能的可以使提升機獲得平穩、安全、可靠的制動運行狀態，避免嚴重的機械磨損，防止較大的機械沖擊，減少機械部分維修的工作量，延長提升機械的使用壽命。隨著礦井提升系統自動化，改善提升系統的性能，以及提高提升設備的提升能力等的要求，對礦井交流高壓電機制動的要求也越來越高。傳統的礦井提升機的制動，幾乎都采用動力制動或低頻發電機制動的方式，動力制動方式只能解決制動問題，不能較好地解決爬行問題，低頻發電機雖然可以較好地解決上述問題，其整個控制系統比較復雜，使用的設備也比較多，給系統的維護和檢修帶來了一定的不便。
普通的變頻器雖然可以輸出較低的頻率，但其系統的建模和設計都是針對低壓電機的，所以其輸出頻率和輸出電壓間始終存在一定的比例關系，因此將其直接使用在礦井提升電機的低頻制動和爬行中，也將造成在剛開始低頻投入時，變頻器的輸出電壓太高，制動力矩太大，這時電機的發電狀態所反饋回變頻器的能量也較大，如果變頻器的制動電阻選擇得不太恰當，也將造成變頻器過壓的危險，長時間使用，將導致變頻器的直流橋電容燒毀，同時在較低的頻率爬行時，由于其為了兼顧制動，將導致爬行時電機的力矩較小。
為此，本文根據礦井提升的實際使用要求，以及芬蘭瓦薩控制系統有限公司的Vacon變頻器開放式編程平臺，模擬低頻發電機系統的運行方式，采用特殊的軟件編程，達到了在整個制動和爬行階段，變頻器的輸出頻率都保持不變，根據預先設置的制動曲線和實際的運行速度，直接控制變頻器的輸出電壓，達到了理想的制動效果。采用該特殊軟件的低頻系統，也能在低頻爬行時輸出較高的電壓，并且還兼顧腳踏、驗繩等功能，完全滿足了礦井提升機的要求。采用該特殊軟件的低頻變頻系統，系統可靠，調試方便，維護和操作簡單，具有極大的使用和推廣價值。
2．系統的控制方式
變頻器的外部接線如圖1所示。變頻器的輸入信號有模擬電壓輸入，正轉、反轉信號輸入，低頻電壓輸出信號，低頻爬行信號，腳踏信號輸入，以及故障復位輸入。
該系統的控制方式分為閉環控制，開環控制，其控制框圖如圖2所示，以下將逐一介紹變頻器的實際控制方式。
2.1 閉環控制
閉環控制應用在低頻制動階段，此時變頻器的模擬輸入信號為高壓電機的模擬速度信號，正、反轉信號之一閉合，低頻電壓輸出信號閉合，其他信號斷開。變頻器將根據低頻電壓輸出信號閉合瞬間，模擬電壓輸入信號的值折算為高壓電機高壓斷開時的瞬間速度，以及預先設置的減速曲線斜率和制動時間，生成高壓電機低頻制動時的速度曲線，在保持頻率不變的情況下，根據實際的速度反饋和生產的速度曲線，控制變頻器的輸出電壓，達到良好的制動效果。
2.2 開環控制
開環控制方式分為低頻爬行，腳踏制動和腳踏驗繩方式。
低頻爬行方式：低頻爬行是在低頻制動完成，達到爬行點速度后，低頻爬行信號輸入，低頻制動完成，變頻器根據預先設定的低頻電壓輸出。
腳踏制動方式和腳踏驗繩方式：在該兩種方式下，變頻器的輸出電壓都跟踏板帶動的自整腳機輸出的信號成比例，由司機確定變頻器需要輸出的低頻電壓。
3．低頻運行系統控制原理
本文所采用的Vacon變頻器，根據提升機低頻制動的特殊要求內置了特殊的應用宏。該特殊應用軟件的低頻輸出頻率可以在變頻器的面板上直接設置，輸出電壓根據提升機的運行和外部信號輸入，自動調節變頻器的輸出電壓。
實際運行時，當提升機高壓投入，根據提升機的運行方向輸入正、反轉運行信號，此時變頻器根據面板設置的頻率，輸出所需的低頻頻率，低頻電壓輸出處于“等待”狀態，輸出電壓值為1V左右，同時變頻器根據模擬電壓的輸入值，實時記錄和監視高壓電機的速度，當高壓斷開瞬間，低頻輸出信號輸入（DIA3閉合），變頻器將根據此瞬間記錄的高壓電機速度，生成高壓電機低頻制動到爬行速度的速度曲線，變頻器輸出端交流接觸器將再延時0.5秒左右后閉合，變頻器輸出的低頻電壓開始接入高壓電機。由于剛開始時變頻器生成的制動曲線和電機的實際速度相差較小，變頻器輸出的電壓也較低，制動反饋的能量也較小。同時外部的速度檢測器也將根據提升機的實際速度，逐級切除高壓電機轉子上的電阻，確保具有足夠的制動力矩。制動階段，變頻器將實時檢測和監視高壓電機的速度，根據所生成的制動曲線和實際速度之間的偏差，模擬低頻發電機制動系統的運行狀態，調節變頻器輸出的低頻電壓。
當高壓電機的制動速度達到爬行速度時，爬行信號（DIB4）輸入，變頻器將根據預先設置的爬行電壓，直接輸出爬行所需低頻電壓。
腳踏制動和腳踏驗繩方式時，變頻器的低頻頻率也始終保持變頻，低頻輸出電壓將根據模擬電壓輸入值的大小成比例輸出，達到所需的制動和爬行力矩。
4．應用及其優點
本文所設計的礦井提升機低頻拖動系統在山西晉城寺河煤礦的副井提升機中得到了較佳的使用效果，圖3是該提升機在上行時的低頻制動和爬行曲線，圖4是該提升機在下行時的爬行曲線。

由于該提升機為單繩提升機，所以在提升機下行制動時，高壓切除，低頻電源未投入前，提升機由重物牽引自由滑行，此時提升機有少許飛速，當低頻電壓投入后，制動轉矩迅速加大，使下行和上行一樣，均能在低頻電源投入后，提升機的制動能完全按照預先設置的曲線的運行，達到良好的制動效果。
采用該低頻制動方式后，與以前的動力制動和低頻發電機制動相比，該系統具有如下優點：
（1） 提升效率提高，由于制動所需時間大為縮小，所以可以提高系統的運行效率；
（2） 系統運行安全可靠，轉爬行速度平穩。由于該變頻器的硬件為通用的變頻器硬件，同時低頻制動投入時，變頻器的輸出電壓從1V開始，根據預先生成的曲線和實際運行速度，緩慢提高，使低頻投入瞬間對變頻器和機械的沖擊都大為縮小，因此提高了系統運行的可靠性。Vacon變頻器的安全500000小時運行，也提高系統運行的安全和可靠性。另外從圖3和圖4的曲線中，可以看出，其制動曲線非常平滑，轉爬行無任何沖擊。
（3） 維修調試方便，推廣容易。該變頻器內置的特殊軟件是根據提升機的實際運行工礦特殊設計，因此對于不同的提升機系統，只需根據前述方式接線后，設置所需的參數即可。因此系統維修調試方便，推廣容易。
（4） 減少了系統改造的成本。由于該系統的變頻器為通用的變頻器，因此系統的改造成本較低。