《電子技術(shù)應(yīng)用》
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赫爾克變頻器在煤礦斜井絞車系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要: 2005年10月銅川某建安公司與我公司簽訂了關(guān)于開發(fā)“用于煤礦斜井絞車系統(tǒng)的變頻器操控柜”的協(xié)議。隨后,我公司派技術(shù)人員前往煤礦實(shí)際考察,了解了絞車系統(tǒng)的工作原理,并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境和工作條件做了深入調(diào)查。之后,我們?cè)谕ㄓ米冾l器的基礎(chǔ)上,針對(duì)煤礦的特殊用途和環(huán)境條件,開發(fā)出了“HCM1126型煤礦斜井絞車變頻操控系統(tǒng)”。
Abstract:
Key words :

2005 年10月銅川某建安公司與我公司簽訂了關(guān)于開發(fā)“用于煤礦斜井絞車系統(tǒng)的變頻器操控柜”的協(xié)議。隨后,我公司派技術(shù)人員前往煤礦實(shí)際考察,了解了絞車系統(tǒng)的工作原理,并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境和工作條件做了深入調(diào)查。之后,我們?cè)谕ㄓ米冾l器的基礎(chǔ)上,針對(duì)煤礦的特殊用途和環(huán)境條件,開發(fā)出了“HCM1126型煤礦斜井絞車變頻操控系統(tǒng)”。2005年12月,產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試運(yùn)行,效果理想。在此,奉獻(xiàn)出來(lái)與廣大顧客朋友共享。

 

一.原絞車系統(tǒng)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)為單筒單繩式提升,系統(tǒng)包括: 1.2米絞車、車斗、75KW繞線式電機(jī)、電磁抱閘裝置、電源柜、可控硅控制柜、電阻箱、啟動(dòng)裝置、操作臺(tái)等。其中,電磁抱閘裝置在失電狀態(tài)下將處于完全抱緊(制動(dòng))狀態(tài)。

絞車拖動(dòng)6節(jié)車斗,用于裝運(yùn)原煤。車斗運(yùn)行最大坡度為25°,具體路線軌跡如圖1所示。單程運(yùn)行總長(zhǎng)度為160米。

 

1. 系統(tǒng)主要參數(shù)

額定轉(zhuǎn)速965轉(zhuǎn)/分,繩速1.3m/s(最大2m/s);6節(jié)車斗,每車自重500Kg,滿載時(shí)裝煤600Kg,鋼絲繩直徑φ18.5mm;路軌總長(zhǎng)160米,最大斜度為25°。

2.原系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

原系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在機(jī)械抱閘(制動(dòng))方面。該抱閘裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔巧妙,可靠性高,在長(zhǎng)期使用中性能穩(wěn)定,并且操作簡(jiǎn)單,便于連接系統(tǒng)。

原系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)表現(xiàn)在調(diào)速方式落后,整個(gè)電控系統(tǒng)環(huán)節(jié)較多、煩鎖龐大,控制相當(dāng)復(fù)雜,發(fā)生故障的幾率很多,尤其是可控硅斬波環(huán)節(jié)本身的故障率很高,增加了系統(tǒng)維護(hù)的壓力;并且,調(diào)速時(shí)大量的電能將消耗在電阻上,浪費(fèi)很多。另外,控制系統(tǒng)復(fù)雜、檢修困難、維修成本高、調(diào)速范圍小、調(diào)速不平穩(wěn)、無(wú)功損耗大等,都是該系統(tǒng)存在的致命缺點(diǎn)。

二.絞車系統(tǒng)變頻改造方案

1.試驗(yàn)用變頻系統(tǒng)組成

通過(guò)對(duì)原絞車系統(tǒng)的分析,我們提出如圖3所示的實(shí)用性方案。整個(gè)系統(tǒng)由變頻器、泄放電阻柜和操作臺(tái)組成,如圖2所示。
采用變頻器控制后,整個(gè)電控系統(tǒng)連線十分簡(jiǎn)單,與原系統(tǒng)相比,體積和重量大幅度減小,當(dāng)然,系統(tǒng)的調(diào)速性能更有一個(gè)質(zhì)的飛躍。
變頻調(diào)速器是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)輸入電源的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的,因此調(diào)速范圍很寬,可以達(dá)到0~400HZ。頻率調(diào)節(jié)精度為0.01HZ,基本上實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速。所以,采用變頻器后,電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的軟啟動(dòng)和平滑調(diào)速。并且,變頻器提高了輸入電源的功率因數(shù),在基頻以下為恒轉(zhuǎn)矩輸出,輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化,因此具有很好的節(jié)電效果。
操作臺(tái)有兩個(gè)控制手柄,右手為調(diào)速手柄,左手柄為制動(dòng)手柄。面板設(shè)置有電鎖、“緊急制動(dòng)”按鈕、“非常制動(dòng)”按鈕、控制鍵盤等,操作使用簡(jiǎn)單直觀,并考慮了礦山電控設(shè)備的操作習(xí)慣。
變頻柜和電阻柜按照礦用一般型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),泄放單元置于電阻柜內(nèi),其面板上的調(diào)節(jié)按鈕可用來(lái)調(diào)節(jié)泄放速度,指示燈分別指示電源和工作狀態(tài)。變頻器為壁掛式結(jié)構(gòu),其功能完全按照工作需要重新設(shè)計(jì)。

 

2.方案簡(jiǎn)介

圖3為煤礦斜井絞車系統(tǒng)變頻器控制方案。圖中電磁抱閘機(jī)構(gòu)為原系統(tǒng)所用,這樣做主要是為保證絞車系統(tǒng)的安全性。泄放單元擬采用與變頻器逆變單元功率模塊同規(guī)格的開關(guān)件,以保證系統(tǒng)有足夠的泄放容量;而泄放電阻則采用3~6Ω/9~12KW無(wú)感電阻,以保證系統(tǒng)有足夠的泄放速度。
圖中由虛線框分成4個(gè)部分,1為操作臺(tái)附加控制單元;2為附加安全保護(hù);3為電磁報(bào)閘控制單元;4為泄放單元及泄放電阻。
操作臺(tái)做了重新設(shè)計(jì),操作習(xí)慣仍舊保持原來(lái)風(fēng)格。主令開關(guān)手柄改為無(wú)級(jí)調(diào)速手柄,用于動(dòng)態(tài)調(diào)速;


另加設(shè)了緊急制動(dòng)按鈕,當(dāng)變頻器發(fā)生故障注1時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)輸出異常信號(hào),控制系統(tǒng)完全抱閘,如果自動(dòng)抱閘線路出現(xiàn)故障而不能準(zhǔn)確執(zhí)行功能時(shí),操作該按鈕可以緊急制動(dòng);如果緊急制動(dòng)也失效時(shí),還有一級(jí)保護(hù),即“非常制動(dòng)”。“非常制動(dòng)”即斷開刀閘,從而切斷機(jī)械抱閘系統(tǒng)的電源,達(dá)到最可靠的制動(dòng)。此處,刀閘“B”只是功能表征,實(shí)施時(shí)可改做專用緊急按鈕或繼電器邏輯電路。
自動(dòng)抱閘和緊急制動(dòng)抱閘時(shí),操作臺(tái)面板上的“故障抱閘”燈亮,給出燈光報(bào)警。此時(shí),若系統(tǒng)未確實(shí)制動(dòng),可進(jìn)行“非常制動(dòng)”。
常開觸點(diǎn)J1為控制抱閘回路的總開關(guān),“K”為調(diào)壓器滑動(dòng)觸頭,可調(diào)節(jié)調(diào)壓器電壓輸出大小,從而改變抱閘力的大小。圖中“C”為刀開關(guān),手動(dòng)可同時(shí)切斷J2-C回路和J2繼電器線圈回路,使“K”回路有效。J2-C回路從調(diào)壓器輸出端取出固定電壓信號(hào)(其值可從實(shí)驗(yàn)中測(cè)得),加到抱閘系統(tǒng),給系統(tǒng)增加一定的阻力。這只用于“空罐下配重”期間。當(dāng)然,切斷刀開關(guān)“C”,可取消該功能。從圖中還可以看出,調(diào)壓器滑動(dòng)觸頭“K”回路串入了J2常閉觸點(diǎn),這就保證了J2-C回路有效時(shí),“K”回路處于斷開狀態(tài)。當(dāng)然,常開點(diǎn)J2斷開時(shí),“K”回路必然閉合。
“&1”只表示一種邏輯關(guān)系,其輸出用來(lái)控制繼電器J1的線圈,起到自動(dòng)制動(dòng)的作用。“&1”輸入的四種信號(hào)可通過(guò)檢測(cè)變頻器的輸出電流得到。“&2”的輸出用來(lái)啟動(dòng)弱阻尼電路,即控制J2繼電器的線圈。
圖中“D”觸發(fā)器用作信號(hào)鎖存器,點(diǎn)動(dòng)“緊急制動(dòng)”按鈕,該脈沖信號(hào)可由“D”觸發(fā)器鎖存,從而將“T1”、“T2”鉗位在低電平,達(dá)到同時(shí)關(guān)斷繼電器J1和J2從而進(jìn)入完全抱閘狀態(tài)的目的。
1.系統(tǒng)配置
絞車系統(tǒng)選用75KW繞線式電機(jī),級(jí)數(shù)為6級(jí);絞車線速度1.3m/s(最大2m/s);上坡路線總長(zhǎng)度138m,坡度25°(按最大計(jì)算);滿載時(shí)車輛總重量6600Kg;車皮總自重3000Kg;鋼絲繩直徑18.5mm,按160m計(jì)算,重量約為36Kg,計(jì)算中可予以忽略。

 

注1:主要指變頻器內(nèi)部的過(guò)壓、過(guò)載、過(guò)流、過(guò)熱、缺相等正常保護(hù)以及死機(jī)、復(fù)位等非正常輸出。失電時(shí)系統(tǒng)可自行保護(hù)。
a.大負(fù)載計(jì)算
如圖4所示,負(fù)載總重6600Kg,分解所得正壓力為6600×cos25°=5982Kg,分解所得下滑力為 6600×sin25°=2790Kg設(shè)摩擦系數(shù)為0.1,則摩擦力為:5982×0.1=600Kg設(shè)車斗輪轂高度為1m,則阻力矩為(600+2790)×1×9.8=3390×9.8=33222Nm。
此時(shí),按坡長(zhǎng)138m計(jì)算,動(dòng)力所做功為(600+2790)×9.8×138=4584636J上升速度按照最大線速度2m/s計(jì)算,升到坡頂時(shí)需要運(yùn)行138m,所用時(shí)間為138÷2=69s
所以,將重車斗拖上坡頂所需功率為4584636÷69=66444W=66KW由計(jì)算可知,配置75KW電機(jī)可滿足絞車系統(tǒng)需要。但考慮安全因素(例如路軌塞堵等),配置變頻器功率應(yīng)選擇90KW。
b.泄放計(jì)算
空車下放時(shí),電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)??哲嚳傊?000Kg,同上計(jì)算得下放力為3000×sin25°=1268Kg
摩擦力為
3000×cos25°×0.1=272Kg
發(fā)放力功率為
1268×9.8×138÷69=24853W=25KW
摩擦力功率為
272×9.8×138÷69=24853W=5.4KW
所以,實(shí)際下放功率為25-5.4=19.6KW≈20KW,也就是說(shuō),發(fā)電功率約為20KW。這部分能量需要被泄放裝置消耗掉。設(shè)泄放閾值電壓為720V,則泄放電流有效值為20000÷720≈28A,峰值為28×1.4≈40A。選擇泄放模塊,其額定電流必須大于40×3=120A,泄放電阻計(jì)算從略。

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