变频调速技术在矿井提升机中的选型和应用

doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2009.04.053

能源技术与管理

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变频调速技术在矿井提升机中的选型和应用

蒋小平，马勇（徐州矿务集团张集煤矿，江苏徐州221147）

要］介绍了矿井提升机的工作情况和控制过程，从理论上分析了提升机变频调速和节

能的基本原理。通过实例介绍了矿井提升机变频器选型的方法，以及参数的设定。

［关键词］变频器；变频调速；提升机；节能

［中图分类号］TD679［文献标识码］B［文章编号］1672蛳9943(2009)04蛳0129蛳02

［摘

0引言

目前矿井提升机普遍使用交流绕线型电机转

笼、箕斗、矿车及吊桶四种。竖井提升中常用的是普通罐笼和底卸式箕斗。这里以罐笼提升为例进行提升设备的运动学计算。

如图1所示的五阶段速度图：t1为主加速阶段运行时间，此时加速度a1较大，速度一直从0加速到最大的υm；t2为等速阶段运动时间，即容器以最大提升速度υm等速运行的时间；t3为主减速阶段运行时间，即容器以最大提升速度υm减速运行的时间；t4为爬行阶段运行时间；t5为抱闸停车阶段时间；θ为休止时间，即装卸载时间。

提升机变频调速系统主要由变频器、行程控制、操作控制、能耗制动和抱闸制动等组成，如图2所示。变频器主要对提升机升降实现变频调速；行程控制主要对提升机变速、停车和制动进行精确的行程控制；操作控制主要完成提升机的提升启动、下降启动、故障复位及紧急制动等操作控制；能耗和抱闸制动主要实现提升机停车控制［1,2］。

子串电阻调速控制系统，提升机在减速和爬行阶

段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒减速控制，经常会造成过放和过卷事故；提升机频繁地启动和制动会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗；转子串电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器等容易损坏。而变频调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，防止提升机过卷和过放事故的发生；变频器的调速还可以实现电动机的软启动，消除转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果。因此，变频器在提升机调速系统中有十分广阔的应用前景。

1提升机变频调速原理

矿井提升机是在繁重而又复杂的条件下进行工作的设备。因此，要求提升机的拖动装置能适应频繁启动、停止、调速及换相，并能实现重载启动，在保证提升设备的安全可靠的情况下，按照设计的提升速度图工作。

提升设备在一个提升循环内的运行规律是用提升速度图来表示的，如图1表示提升速度与提升时间变化的关系。提升容器按其结构可分为罐

图2提升机变频调速示意图

θ

图1提升速度图

在提升机系统的应用中，变频器主要进行恒加速变频调速启动，恒减速变频调速停车及行程变频调速运行等变频调速。变频调速是通过改变电动机输入电源的频率来调节电机转速的，因此调速范围很宽，一般都可以达到0~400Hz，频率

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蒋小平，等变频调速技术在矿井提升机中的选型和应用2009年第4期

调节精度一般为0.01Hz。变频器调速有别于转子

串电阻调速，降低了转差率，提高了电路的功率因数，可以恒转矩输出，输出功率随转速变化，因此具有很好的节电效果。

有恒功率的特点。这实际上也说明了在fX＞fN时，变频调速的负载率σ为：

TL′nNfN1

===TNnXfXKf

f

式中，Kf=max是取fX=fmax得到的。也就是说，

fN

允许的负载率是和最高工作频率的大小成反比。

σ=

所以，在此负载率下的最高工作频率fmax=67Hz。电动机的转速范围：nmax=712r/minnmax=143r/min工作频率范围：fmax=48.1Hz＜67Hzfmax=9.7Hz＜8Hz

在负载率为75%时，调速范围为：

67/8=8>α（α=5）

即工作频率在允许范围内。

考虑经济性及其性能情况，选用成都希望森兰变频器公司的SB40系列高性能通用变频器，具有转矩提升，转差补偿功能，使用贴片元件改善电气性能，减少干扰，使用温控风机延长风机寿命，并有旋纽调频机种可供选用。

根据上面变频器容量的计算选用额定容量为99kVA，额定电流为150A的变频器。该变频器可以承受过载电流为额定电流的150%min。

在选定了变频后，根据需要选择与变频器配合工作的各种周边设备。外围设备通常是选购配件，分常规配件和专用配件。3.3森兰变频器参数设定

在功能参数设定之前，先做如下计算：

按照前面的提升速度图，加速时间为4s，减速时间为3.2s。则当提升速度为2m/s时，提升加速度最大为0.5m/s2，提升减速度最大也为0.5m/s2。下面无论要求设定速度是多少，均按照4s加速，3.2s减速计算。即，总是从低速经过4s加速到要求的速度，从高速经过3.2s减速到0.4m/s的爬行速度。

根据SB40相关功能，下面计算七段速度所对应的变频器输出频率：

当提升速度v=2m/s时，由上面计算可得变频器需输出频率为f=48.1Hz；当提升速度v=1.8m/s时，f=43.4Hz；当提升速度v=1.6m/s时，f=38.5Hz；当提升速度v=1.4m/s时，f=33.7Hz；（下转第135页）

2提升机的基本参数

本课题是参照1.2m矿井提升机的相关参数

进行变频器的选型计算［3］。该类型提升机的基本参数为：最大静张力差20kN，最大速度2m/s。

以最大提升高度H=300m，最大提升速度vm=2m/s，计算出提升速度图中的参数值：t1=4s、h1=4m、t3=3.2s、h3=4m、h2=289.6m、t2=144.8s、t4=6s，θ=15s、Tx=173s。

3

3.1

变频器的选型

通用变频器的选择

通用变频器是指可以用于交流电动机调速控

制的变频器，特点是具有通用性，并具有智能化特征。通用变频器分为交-交和交-直-交两种形式，这里的通用变频器主要讨论交直交变频器。

通用变频器的选择包括通用变频器的型式选择和容量选择两个方面，选择的原则是：首先其功能特性能保证可靠地实现工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。

通用变频器根据控制功能的不同，可以分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器，具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器和矢量控制高性能型变频器。对于本课题研究，可以采用具有转矩控制功能的高功能U/f控制通用变频器。

通过对变频器容量的计算可知：PCN≥73.5kW；ICN≥125.4A对于短时加减速而言，由于电流脉动原因，应将要求的变频器过载电流提高10%后再进行选定，即将要求的变频器容量提高一级。3.2工作频率范围的选择

根据本课题的研究，初取减速器的传动比为22.4。最低工作频率如表1所示。

表1

控制模式有反馈矢量控制有反馈矢量控制

U/f控制

最低工作频率

允许负载率/%无外部通风≤75≤80≤50

有外部通风

100100≤55

最低工作频率/Hz0.151

当工作频率高于额定频率时，其有效转矩具

2009年第4期

杨金宏封口盘井盖门自动开启的改造

现了手动与自动功能闭锁。

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3工作原理说明

（1）自动开起。当绞车上提吊桶等物件进入

4使用情况

从袁店项目部现场使用情况来看，非常有效。

减速点位置时，绞车深度指示器丝杆螺母触杆触闭减速继电器J1，J1常开点闭合（随即又断开），时间继电器KT得电，速闭延开点KT1闭合，绞车测速回路正向继电器常开点ZJ1闭合，反向继电器FJ1常闭点保持闭合，中间继电器1ZJ得电常开点1ZJ1闭合，接触器ZM得电闭合，井盖门自动开起。

（2）定位闭锁。当井盖门开起到位，位置开关WK1、WK2闭合，继电器3ZJ得电，常闭点3ZJ1、3ZJ2、3ZJ3断开，ZM失电，井盖门停止开起，如此时再按ZQ，手动开起不起作用，实现了自动与手动闭锁。

（3）定时保护。时间继点器KT延时断开时间将根据现场井盖门开起情况设定为5s。当井盖门开起到位后，如WK1或WK2失效，3ZJ依然保持闭合时，KT线圈5s延时后断开，1ZJ断电，1ZJ1常开点断开，ZM断电停止开起，防止井盖门拉毁。

（4）手动开起。信号工手动控制井盖门开起时，2ZJ得电；常开点2ZJ1闭合，接触器ZM得电，井盖门开起。开起到位后，WK1、WK2闭合，3ZJ得电，常闭点3ZJ2断开，2ZJ失电，ZM失电，井盖门停止开起。

（5）手动自动互锁。信号工手动开起井盖门到位后，绞车上行至减速点（约离井口50m位置），虽然深度指示器触杆触动J1闭合，但此时常闭点3ZJ1断开，时间继电器KT不能得电动作，实

袁店项目部积极加强信号工的教育和监管，在生

产过程中没有发生信号工疏忽操作的情况，但该项目部每天坚持试验自动开起功能，未发生一起误动作，实现了100%的有效开起。井盖门自动开起改造仅作为信号工精力不集中、疲劳等主因可能引发的个体不安全行为，而导致绞车上行时，未及时打开井盖门的安全补救措施，是人工操作的后备操作功能。平常施工时，必须优先立足于信号工的主动操作。

5改造特点及意义

吊桶上行至减速点（离井口约50m）自动开

起，克服了人为不安全行为，从设计上满足了本质安全要求；实现了手动和自动的选择操作，互为闭锁；具有单向自动开起功能，即上行自开下行不动作；改造不但投入资金微薄，而且现场使用安全可靠可行；从创建本质安全型企业和安全管理角度来讲，具有现场推广意义。

总之，此改造简便易行，改造成本低，安全可靠实用，有利于企业加强安全防范的管理，有利于本质安全型企业的创建。

［作者简介］

杨金宏（1970-），男，江苏金坛人，高级工程师，毕业于焦作矿业学院矿机专业，现任中煤第五建设公司二处机电副处长。

［收稿日期：2009-05-27］

（上接第130页）当提升速度v=1.2m/s时，f=

28.9Hz；当提升速度v=1.0m/s时，f=24.1Hz；当提升速度v=0.8m/s时，f=19.3Hz；当提升速度v=0.4m/s时，f=9.6Hz。

然后按照计算的参数对SB40变频器进行设定。在实际的应用中许多参数的设定并不是绝对的，可以在一定范围内根据实际情况调整。

［参考文献］

［1］姚锡禄.变频器控制技术与应用［M］.福州：福建科学

技术出版社，2005.

［2］毋虎城，裴文喜.矿山运输与提升设备［M］.北京：煤

炭工业出版社，2004.

［3］夏荣海，郝玉琛.矿井提升机械设备［M］.徐州：中国

矿业大学出版社，2003.［作者简介］

4结语

蒋小平（1982-），男，甘肃文县人，助理工程师，2005年毕业于贵州大学机械制造专业，现工作于徐州矿务集团张集煤矿运输工区。

［收稿日期：2009-03-17］

变频器在提升机系统中的应用可以很好解决调速和启动问题，而且具有十分明显的节能效果，有很好的应用和推广价值。