薄忠成^1,2，赵彦林²

(1．中国矿业大学信电学院，江苏徐州221008；2．中煤第五建设公司，江苏徐州221163)

    
    摘要：结合稳车运行状态及负载特性，重点介绍了变频控制系统选型与设计，利用ACSS00变频器改造后的稳车控制系统实现了平稳运行，达到了节能降耗的目的。

   
    关键词：变频器；稳车；控制系统；节能降耗

   

    中图分类号：TN77    文献标识码：A    文章编号：1008—8725(2009)03—0022—03

       Reconstruction on the Steady Vehicle with ACS800 Transducer

                            BO Zhong - cheng1'2, ZHAO Yah - lin2

(1. College of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China;2. China Coal Construction No 5 Company, Xuzhou 221008, China)

   

    Abstract: This article mainly describes the design and selection of frequency conversion control system. The steady vehicle control system, after reconstruction with ACSS00 transducer, is capable of operating steadily, as a result, the objective of energy- saving and consumption reduction can be attained.

   
    Key words: transducer; steady vehicle; control system; energy- saving and consumption reduction

    稳车是凿井绞车的俗称，是矿井建设中不可缺少的主要设备之一，主要用于煤矿、金属矿、非金属矿竖井的井筒掘进工程中悬吊吊盘、水泵、风筒、压缩空气筒、注浆管等掘进设备和张紧稳绳，也可用其它井下和地面起吊重物使用。目前传统稳车运行采用绕线式异步电动机进行拖动，转子电路通过主令控制器触点的分合来改变转子电路外接电阻的大小，实现限制启动电流和调速。由于采用分立元件和继电器进行控制，因此维护难度大、降耗大、费用高、工作效率低。虽然传统稳车机械减速机采用双速减速机，设置了机械手动换档调速，但调速范围小，一般只有两个固定速度，低速就位性能差，尤其是双速机械减速机具有制造成本高、现场操作不方便等缺点。传统稳车控制系统严重制约凿井施工的速度，为此，采用ABB公司生产的ACS800—01系列变频器对稳车调速系统进行改造。

 

    电动机正转或反转时，制动器松开制动，通过带制动轮的联轴器带动减速器高速轴，经过减速后通过开式齿轮传动驱动卷筒旋转，使钢丝绳绕进卷筒或由卷筒放出，从而使负载提升或下降。卷筒的正反向转动是通过改变电动机的转向来达到的，电动机停止运转时，依靠制动器将高速轴的制动轮刹住，使负载保持在悬吊状态。稳车带载提升时，电动机的电磁转矩要克服负载转矩才能提升，故电动机工作处于电动运行状态，工作于第1象限。稳车带载下降时，电动机处于能耗制动状态，工作于第4象限。

 

    2．1电动机的选择

    传统稳车采用绕线式异步电机，改造后选用成本相对低廉的鼠笼式异步电机。电动机的选择计算如下：

    (1)计算静功率P_J

稳车机构运转时所需静功率按公式：P_J=Q_v／η

式中P_J——额定起重量时的静载荷功率，kW；

    v——起重机构最大速度，m／s；

    η—一传动机构的效率。

    (2)电动机计算功率P_E

电动机计算功率按公式：P_E≥k_dP_j

式中k_d——启动时过流对电机发热的影响系数。

故取电动机功率P_E≥k_dP_j，选取电动机型号。

 

    2．2变频器容量的选择

    电机平均起动转矩一般为额定转矩的1．7倍，考虑到电源电压波动及需要通过110％额定负载的动载试验要求等因素^[1]，其最大转矩应是负载转矩的1．9倍，考虑确保安全使用，为此可通过提高变频器容量来获得200％负载力矩值。

    变频器容量按下式计算：P_c≥

式中P_c——变频器容量；

    k₁——过载系数，k₁=1．9；

    P_m——提升额定负载所需的功率，kW；

    η——电机效率，η=0．9；

    cosφ——电机功率因数，cosφ=0．81；

    k₂——增容系数，一般取k₂=1．05～1．1。

    同时保证I_c>I_m

式中I_c——变频器额定电流，A；

    I_m——电机额定电流，A。

 

    2．3变频器的选择

    稳车升降的运转具有较大惯性、四象限运行的特点，与其他传动机械相比对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求，ACS800—01是专为起重类负载而设计的专用变频器^[2]，该系列产品采用了最优的电机控制方法一直接转矩控制技术(DTC)，它可以对所有交流电动机的核心变量进行控制，并把定子磁通、转矩作为主要控制变量。高速信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机状态每秒钟更新4万次，对负载的变化和瞬时掉电，能做出迅速响应。其开环控制精度可以达到闭环矢量控制的精度(0．1％～0．5％)，开环转矩阶跃上升时间小于5ms，约为矢量控制的1／20，起动转矩可达200％，并具有有效的磁通制动来提供最大可能的制动力矩。尤其它还提供了稳车应用宏程序，可以实现稳车零位保护、过载保护、行程极限保护、各种故障监控及报警，模块化功能可方便实现施工现场多台稳车同步控制，确保使用时安全快速运行、故障处理容易、维护简单，DTC控制技术使操作者便于精确控制速度和转矩。

 

    2．4制动电阻的选择

    当稳车重载下降时，由于重力加速度的原因，电机的旋转速度将超过变频器输出频率所对应的同步转速，电机处于发电制动状态，负载的机械能将被转换成电能，并被反馈给变频器。变频器直流回路的电容因充电而使电压升高，为不使电压过高而导致变频器的过压保护电路动作切断变频器的输出，控制电路中还应加入制动电阻，这样可通过电阻制动，有效地实现电机的制动和减小减速时间，保证重物就位的可靠性。当变频器的直流电路的电压超过特定的极限值时，制动电阻就开始工作。制动电阻计算过程如下：

    (1)计算最大制动转矩M_Bmax

M_Bmax=

式中J_M——电机转动惯量，kg．m2；

    J₁——负载转动惯量(折算至电动机轴)，l(g．r玎}；

    n₁——开始减速时转速，r／min；

    n₂——减速结束时的转速，r／min；

    t_s——减速时间，s；

    M_L——负载转矩(电动状态为正，发电状态为负)，N．m。

    (2)计算最大制动功率P_Bmax

P_Bmax= M_Bmax

    (3)计算制动电阻平均消耗功率P_B

P_B=η_G P_Bmax一kP_E

式中η_G——机械效率，取η_G=l；

    k——电动机内部能量损失系数，k=0．2；

    P_E——电动机额定功率，kW。

    (4)计算制动电阻R_B

    R_B=U²_DC/P_B

式中  U_DC——直流电路电压，U_DC =513 V。

 

    稳车升降控制系统中需重点防止溜车的控制，在工作制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑的现象，在系统控制过程中通过PLC和变频器问信号的适当配合，利用ACS800变频器的零速全转矩功能和静力矩预控制功能，可有效地防止稳车重物下滑现象，为了确保改造后的系统安全可靠b J。改造后的控制系统在主回路设置星三角启动旁路系统，作为备用，当变频器出现故障时，随时可以切换到星三角启动工频状态工作，当变频器故障解除后再切换到变频调速回路。主回路如图1所示。

 

    ACS800—01变频器调速具有较完美的机械特性，其良好的起动、调速性能实现了稳车升降的快速、准确定位，从而对工作效率和功率因数的提高、起制动冲击的减少以及增加稳车使用的安全性是非常有益的。彻底避免了绕线式异步电机起动制动速度无法准确控制、无功能耗损失及成本高的缺点，采用变频器调速的稳车机械减速机可以采用标准减速机，减少了产品制造成本，同时是对多台稳车集中控制提供方便，大大提高系统的扩展性和可靠性。

 

 

参考文献：

[1] 陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．北京：机械工业出版社。2004．

[2] 薄忠成，李红珍．变频调速在凿井绞车中的应用[J]．煤矿机械，2006(3)：518—520．

[3] 董庆海，孙振军．JZ25T型凿井绞车的几个关键技术分析[J]．煤炭科学技术，2008(3)：63—65．

 

                                                     收稿日期：2008—10—14；修订日期：2008—12—17

 

 

    作者简介：薄忠成(1972一)，男，内蒙古乌兰察布人，高级工程师，中国矿业大学信电学院电气工程专业硕士研究生，现在中煤五公司徐州煤矿采掘机械厂从事机电技术管理工作。