能量反馈变频调速技术在提升绞车的改造

刘宝谋

（福建永安煤业公司半罗山煤矿，福建 永安 366000）

在煤矿企业的生产中，矿井提升绞车担负着提煤、运料、运送人员等繁重任务，在整个生产中占据着十分重要的位置，一旦出现故障，就将影响全矿的运输和生产，因此它的正常运行起着至关重要的作用，特别是每年也消耗掉大量的电能，用在提升绞车上使用的电费也是非常可观的一笔经济账，如何可以减少使用在提升绞车上生产成本，也是一个非常重要和需要解决的问题。本文以丰海煤矿310 矸场提升绞车为例，该矿井坡度为25 度，坡长为250 米，每年担负着180000 部矸石的提升任务, 采用蓝海华腾V5-H 系列高性能矢量控制型变频器，取得较好的安全性能及节能效果。

1 绞车串电阻存在的问题

丰海煤矿310 提升绞车原采用130KW/380V 绕线式电机串电阻调速，用交流真空接触器实现五段速度切换；形成了低速降压启动、档位切换加速、全速运行、档位切换减速、低速降压停车的工作过程。这种运行方式存在明显的缺点，主要体现在以下几个方面:

（1）大量的电能消耗在转子电阻上，造成了严重的能源浪费。当料车空车下放时，电机的转速超过了同步转速，电机处于发电状态，由于没有能量处理环节，大量的电能消耗在转子电阻上，致使电机能耗增加，不但浪费大量的电能，而且使电机铜损、铁损增加，增大了电机的维修费用。从现场情况看，下放时电机电流与提升时基本相同，都在200A 左右，相当于电机的额定电流，而空载时电机电流大约应在额定电流的60%左右，从这点看，应有30%左右的能量被消耗掉。

（2）原控制系统采用绕线电机转子串电阻的方式进行调速，串电阻调速属于有极调速，启动冲击大，并且在速度的切换中存在速度的跃变，容易掉道，危险度高，严重影响生产效率以及人的生命财产安全，特别当运输人的时候。使用串电阻调速严重的浪费电能在电阻上，速度越低浪费越严重；当下放物体过程中，电机处于发电状态，更加严重的浪费了能量。

（3）由于使用接触器串电阻调速，调速的过程中频繁投切导致接触器经常损坏，导致调速失灵，存在安全隐患，这种切换转子电阻调速的控制系统复杂，导致系统的故障率高，接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏，维护工作量很大，直接影响了提升机的生产效率。

（4）稳定性差，速度随着负载的变化而变化，低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制，特别是在负载发生变化时，很难实现恒减速控制，导致调速不连续、速度控制性能较差。

（5）启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机、高低速轴器连接装置的使用寿命大大降低，而且极容易出现"掉道"现象。

（6）低电压和低速段的启动力矩小，机械特性比较软，带负载能力差，无法实现恒转矩提升。

2 能量反馈型变频调速的工作原理

控制电路采用PLC 精确控制，用变频调速系统替代原工频调速系统，同时保留工频调速系统，使两套系统互为备用，增加系统运行的可靠性。改造时需要增加工、变频转换功能。系统运行前，将主回路和控制回路各转换开关切换至相应的变频或工频位置。具体接法如下。

图1 变频器主回路和控制回路接线原理图

在变频器直流回路加回馈装置，将电动机发电状态产生的电能，通过提升机专用能量回馈单元，采用电压自适应控制，即无论电网电压如何波动，当提升机机械能转换成电能送入直流回路电容中时，能量回馈单元及时将电容中的储能回送电网，有效解决了能量回馈。

图2 变频器加能量回馈单元

2.1 控制回路

该绞车电气控制系统原为继电器控制回路，运行时间长，各电器均开始老化，未重新整理线路，设备安装零乱，给检修带来了很大的困难。新柜内采用进口或合资可靠性好的电器产品；并采用新型小型扩展功能强的PLC。PLC 配有计算机编程接口，采用最新WINDOWS 版本编程软件进行编程。并对检修人员进行编程软件操作培训，确保可以应用软件进行基本的指今修改和系统故障维护。

变频器提供完善的接口电路，内设PLC，既可以与新装系统实现配套使用，也可以对老系统进行改造，可以接受DC 0-5V、DC 0-10V 和4-20 mA 工业标准信号。用于系统改造时，增加远控装置就可以实现工频与变频的相互转换，监视系统的操作和运行状况等功能。

接口电路实现了变频器与控制系统的连接，包括正、反转控制，速度调节(可以采用档位调节方式，也可以采用模拟量输入方式)，与外部电路的连锁功能(“松闸”、“急停”信号用于与制动闸及制动油泵连锁，“安全回路”及故障输出信号用于与系统安全回路实现连锁)，各种状态指示等各种功能。

2.2 绞车控制系统与变频器连锁安全抱闸回路

矿山是个非常讲究安全的地方，一定需要机械抱闸的配合，要确保在任何异常状态下，机械刹车能够完全的刹住车，比如出现紧急情况、变频器出现故障、忽然停电等等，都必须确保机械刹车能够完全的进行抱闸。

变频器具有的各项保护功能，比如过流过压过载欠压保护等，当出现故障的时候，变频器是马上对电机停止输出的，所以此时也是需要机械进行抱闸保护。

由上可知，整套系统必须要以上的安全保护功能。当安全回路出现问题的时候，马上进行机械抱闸并且马上输出开关信号禁止变频器运行。

2.3 手动机械刹车与变频器的配合

如果当前状态为停止状态，此时绞车的抱闸在抱紧，此时启动变频器，慢慢松开抱闸，当松开还没有到一半的时候，设置为闭合状态，变频器虽然运行，但是处于封锁输出状态，输出频率为零；当松开到一半的时候，设置为断开状态，此时旋动电位器给一点速度，变频器开始运行，当听到电机有响声的时候，说明此时变频器的力矩已经充分建立起来，然后继续慢慢松开，此时旋动电位器，电机速度可以慢慢上升。

图3 速度- 力矩- 电流曲线

图3 中，下放启动时输出一个很大的力矩，控制绞车平稳下放；上拉启动时输出一个很大的力矩拉住绞车，平稳上拉。从图4 的提升速图和力图可以看出。采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器—交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障。另外，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，靠人为的手刹控制，经常会造成停车位置不准确。提升机频繁的起动﹑调速和制动，在转子外电路所串电阻的上产生相当大的功耗。这种交流绕线式电机串电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；电阻上消耗的转差功率大，节能较差；起动过程和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行震动大，安全性较差。

3 改造后的效果分析

通过2010年5月改造后现场使用至今，运行正常，并具有以下优点：

（1）机械能转换成电能回馈到电网再利用，能有效的将电容中储存的电能回送给交流电网供周边其它用电设备使用，节电效果明显，一般节电率可达30%～40%。

（2）减少电阻调速时的部件损耗特别是带能量回馈的四象限运行变频器，可以将电机在发电状态下的再生电能回送电网，降低电能消耗，可节约大量的电能。

（3）启动电流小，调速范围广，速度不随负载的变化而有变化。加减速过程中电机控制平稳，启动速度平稳无冲击，大大的减少了掉道现象；

（4）没有和传统方式一样经常更换接触器，大大降低维护成本。

（5）没有串电阻的发热，大大改善了操作人员的工作环境。

（6）能够和机械刹车以及安全回路完美配合使用，当使用机械刹车时候变频器不会出现过载过流等现象，而且当出现紧急情况或者停电的状态下，能够自动实现机械刹车，最大限度的保障了安全；可以消除溜钩现象，即使在上升过程中中途进行了机械刹车，不需要把重物放到平地上重新启动，在中途就可以把重物拉起来而不下溜。

（7）绞车司机操作容易、简单，轻松方便，电机设备的振动噪声大大的降低、维护工作量大大的降低，很受操作员的喜欢。

（8）节能效果分析

丰海煤矿310 矸场要担负全矿一年的180000部矸石的提升，每天以最少8 小时运转工作计算，每天500 部左右的矸石。改造前每小时所要用电为：105.3 度，改造后一般节电率可达：

根据电表及现场测定，节电比例为30%～40%。

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本变频调速方案公司总投入资金为138 000 元，改造后一年可以节电费69 076 元，按测算2～3年后就可以回收投入成本。

4 结束语

丰海矿+310 排矸场提升绞车经变频改造后的，操作简单方便，维护量少，控制系统可靠性和稳定性较高，节能效果明显。由此可见，变频器在绞车上的应用具有较好效果，值得进一步推广。