煤矿绞车电气控制变频技术及运用实践研究与讨论

GXF360 2017-06-20

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煤矿绞车电气控制变频技术及运用实践研究与讨论

王守恒

（凯盛重工有限公司，安徽淮南 232052）

摘要：文章首先简要介绍了变频技术，在此基础上对变频技术在煤矿绞车电气控制系统中的运用实践进行论述，期望能够对绞车安全性的提升以及能耗的降低有所帮助。

关键词：煤矿；绞车；电气控制；变频技术

1 变频技术简介

所谓的变频技术是一种能够将直流电转变成不同频率的交流电的技术，在转换的过程中，电能本身并不会出现任何变化，只有频率会发生改变。变频技术作为一种应用型技术，其主要有以下几种类型：第一种是交流电-直流电变频，这种类型的变频技术也被称之为整流技术；第二种是直流电-直流电变频，即斩波技术；第三种是直流电-交流电变频，电子振荡和电力逆变均属于该类型的范畴；第四种是交流电-交流电变频，也就是我们常说的移相技术。变频器简称VFD，它是一种以变频技术为核心的电力控制设备，该设备能够通过改变电动机工作电源的频率对交流电动机进行控制，三相交流异步与同步电动机是变频器的主要控制对象。变频器的出现及其在工业控制领域中的应用，使电气传动发生了一场技术革命，由此使得交流调速正式取代了直流调速。下面本文重点对该技术在煤矿绞车电气控制系统中的运用进行论述。

2 变频技术在煤矿绞车电气控制系统中的运用实践

2.1 变频调速系统

变频调速系统能够通过改变电动机定子的供电频率来改变其转速，由此便可实现煤矿绞车调速的目的。本文采用的是交-直-交变频系统，大体上可将该系统的运行分为以下两个过程：①正常逆变。该过程是由整流、滤波和逆变三个部分组成，逆变是核心，它能够对电动机定子的供电频率进行改变，从而达到改变输出电压的目的，这样便能够起到调速的作用；②能量回馈逆变。该过程则是由整流、回馈逆变与输出滤波三个部分组成，整流由IGBT来完成，电解电容则是为回馈逆变提供电压源，以此来确保其运行稳定、可靠。输出滤波的加入能够减少逆变输出过程中调制波对电网的污染，由此可以使整个系统的运行可靠性获得大幅度提升。为了确保变频调速系统中核心部件变频器的安全性，在系统设计时，加入了刹车机构，该机构能够吸收一部分能量，这样一来母线电压便会随之降低，变频器的运行安全也就得到了有效保障。

2.2 系统的控制原理

在转子磁场定位坐标已知的前提条件下，电动机的电子电流可以分解成以下两个部分，一部分是励磁电流，另一部分是转矩电流，通常在保持前者不变的情况下，对后者进行控制，便可以实现对电动机转矩的控制。由实际运行可以得知实际转速与给定转速之间的差值，利用PID调节便可生成转矩电流，再经由矢量控制后，可将转矩电流变换为电动机三相给定电流，这三相电流与电动机实际运行电流比较之后，可以生成三相驱动信号，借助该信号便可实现对电动机的变频调速控制。

2.3 绞车电气控制系统改造方法

绞车原本的电气控制系统为工频调速系统，可以用变频调速系统替代原本的系统，并将原本的系统保留下来，这样可以使两套系统互为备用，由此能够提升系统的运行可靠性。为实现这一目标，在改造的过程中，应增加工频、变频转换功能，并在启动控制系统前，将主回路与控制回路分别转换至变频位置。图1为系统连接示意图。

图1 变频与工频调速系统连接示意图

经过改造之后，绞车可以采用两种方式进行控制，一种是自动控制，另一种是手动控制，前者是借助PLC的控制能力来实现的，由此使得绞车的运行效率获得了大幅度提升。绞车运行时，只有启停需要人为操作，其余操作，如加减速等全都可以自动完成。后者是由操作者来完成的，主要是为了应对各种突发情况，这样能够保证绞车的运行安全。

2.4 应用实例

某煤矿井下提升绞车的控制系统比较老旧，运行过程中经常会出现各种故障问题，并且能耗也比较高，这不但在一定程度上影响了煤矿的生产效率，而且还增大了生产成本。为有效解决这一问题，经过研究之后，决定对该绞车的控制系统进行升级改造，在原有工频控制系统的基础上增加变频调速控制系统，下面对改造之后的节能效果进行估算。

（1）绞车提升过程中的节能估算。在原有工频控制系统下，绞车提升消耗的能量经过计算为10982kJ，改为变频调速控制系统后，绞车提升过程中消耗的能量为9182kJ，平均节电约为16.4%。

（2）绞车下放过程中的节能估算。在原有工频系统下，假定绞车以三档进行下放，其速度为每秒1.5m，由于下放时会有部分能量回馈给电网，加之摩擦与电动机本身的功率消耗，很难估算出实际消耗的能量。采用变频系统后，绞车下放时，会有80%左右的重力势能回馈给电网，假定工频消防时所消耗的能量为1，则可节能80%左右。改造后，绞车提升与下放的综合节电率能够达到35%左右。