Vacon 变频器在矿井提升机中的应用

1．引言
矿井提升电机优越的制动性能的可以使提升机获得平稳、安全、可靠的制动运行状态，避免严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。随着矿井提升系统自动化，改善提升系统的性能，以及提高提升设备的提升能力等的要求，对矿井交流高压电机制动的要求也越来越高。传统的矿井提升机的制动，几乎都采用动力制动或低频发电机制动的方式，动力制动方式只能解决制动问题，不能较好地解决爬行问题，低频发电机虽然可以较好地解决上述问题，其整个控制系统比较复杂，使用的设备也比较多，给系统的维护和检修带来了一定的不便。
普通的变频器虽然可以输出较低的频率，但其系统的建模和设计都是针对低压电机的，所以其输出频率和输出电压间始终存在一定的比例关系，因此将其直接使用在矿井提升电机的低频制动和爬行中，也将造成在刚开始低频投入时，变频器的输出电压太高，制动力矩太大，这时电机的发电状态所反馈回变频器的能量也较大，如果变频器的制动电阻选择得不太恰当，也将造成变频器过压的危险，长时间使用，将导致变频器的直流桥电容烧毁，同时在较低的频率爬行时，由于其为了兼顾制动，将导致爬行时电机的力矩较小。
为此，本文根据矿井提升的实际使用要求，以及芬兰瓦萨控制系统有限公司的Vacon变频器开放式编程平台，模拟低频发电机系统的运行方式，采用特殊的软件编程，达到了在整个制动和爬行阶段，变频器的输出频率都保持不变，根据预先设置的制动曲线和实际的运行速度，直接控制变频器的输出电压，达到了理想的制动效果。采用该特殊软件的低频系统，也能在低频爬行时输出较高的电压，并且还兼顾脚踏、验绳等功能，完全满足了矿井提升机的要求。采用该特殊软件的低频变频系统，系统可靠，调试方便，维护和操作简单，具有极大的使用和推广价值。
2．系统的控制方式
变频器的外部接线如图1所示。变频器的输入信号有模拟电压输入，正转、反转信号输入，低频电压输出信号，低频爬行信号，脚踏信号输入，以及故障复位输入。
该系统的控制方式分为闭环控制，开环控制，其控制框图如图2所示，以下将逐一介绍变频器的实际控制方式。
2.1 闭环控制
闭环控制应用在低频制动阶段，此时变频器的模拟输入信号为高压电机的模拟速度信号，正、反转信号之一闭合，低频电压输出信号闭合，其他信号断开。变频器将根据低频电压输出信号闭合瞬间，模拟电压输入信号的值折算为高压电机高压断开时的瞬间速度，以及预先设置的减速曲线斜率和制动时间，生成高压电机低频制动时的速度曲线，在保持频率不变的情况下，根据实际的速度反馈和生产的速度曲线，控制变频器的输出电压，达到良好的制动效果。
2.2 开环控制
开环控制方式分为低频爬行，脚踏制动和脚踏验绳方式。
低频爬行方式：低频爬行是在低频制动完成，达到爬行点速度后，低频爬行信号输入，低频制动完成，变频器根据预先设定的低频电压输出。
脚踏制动方式和脚踏验绳方式：在该两种方式下，变频器的输出电压都跟踏板带动的自整脚机输出的信号成比例，由司机确定变频器需要输出的低频电压。
3．低频运行系统控制原理
本文所采用的Vacon变频器，根据提升机低频制动的特殊要求内置了特殊的应用宏。该特殊应用软件的低频输出频率可以在变频器的面板上直接设置，输出电压根据提升机的运行和外部信号输入，自动调节变频器的输出电压。
实际运行时，当提升机高压投入，根据提升机的运行方向输入正、反转运行信号，此时变频器根据面板设置的频率，输出所需的低频频率，低频电压输出处于“等待”状态，输出电压值为1V左右，同时变频器根据模拟电压的输入值，实时记录和监视高压电机的速度，当高压断开瞬间，低频输出信号输入（DIA3闭合），变频器将根据此瞬间记录的高压电机速度，生成高压电机低频制动到爬行速度的速度曲线，变频器输出端交流接触器将再延时0.5秒左右后闭合，变频器输出的低频电压开始接入高压电机。由于刚开始时变频器生成的制动曲线和电机的实际速度相差较小，变频器输出的电压也较低，制动反馈的能量也较小。同时外部的速度检测器也将根据提升机的实际速度，逐级切除高压电机转子上的电阻，确保具有足够的制动力矩。制动阶段，变频器将实时检测和监视高压电机的速度，根据所生成的制动曲线和实际速度之间的偏差，模拟低频发电机制动系统的运行状态，调节变频器输出的低频电压。
当高压电机的制动速度达到爬行速度时，爬行信号（DIB4）输入，变频器将根据预先设置的爬行电压，直接输出爬行所需低频电压。
脚踏制动和脚踏验绳方式时，变频器的低频频率也始终保持变频，低频输出电压将根据模拟电压输入值的大小成比例输出，达到所需的制动和爬行力矩。
4．应用及其优点
本文所设计的矿井提升机低频拖动系统在山西晋城寺河煤矿的副井提升机中得到了较佳的使用效果，图3是该提升机在上行时的低频制动和爬行曲线，图4是该提升机在下行时的爬行曲线。

由于该提升机为单绳提升机，所以在提升机下行制动时，高压切除，低频电源未投入前，提升机由重物牵引自由滑行，此时提升机有少许飞速，当低频电压投入后，制动转矩迅速加大，使下行和上行一样，均能在低频电源投入后，提升机的制动能完全按照预先设置的曲线的运行，达到良好的制动效果。
采用该低频制动方式后，与以前的动力制动和低频发电机制动相比，该系统具有如下优点：
（1） 提升效率提高，由于制动所需时间大为缩小，所以可以提高系统的运行效率；
（2） 系统运行安全可靠，转爬行速度平稳。由于该变频器的硬件为通用的变频器硬件，同时低频制动投入时，变频器的输出电压从1V开始，根据预先生成的曲线和实际运行速度，缓慢提高，使低频投入瞬间对变频器和机械的冲击都大为缩小，因此提高了系统运行的可靠性。Vacon变频器的安全500000小时运行，也提高系统运行的安全和可靠性。另外从图3和图4的曲线中，可以看出，其制动曲线非常平滑，转爬行无任何冲击。
（3） 维修调试方便，推广容易。该变频器内置的特殊软件是根据提升机的实际运行工矿特殊设计，因此对于不同的提升机系统，只需根据前述方式接线后，设置所需的参数即可。因此系统维修调试方便，推广容易。
（4） 减少了系统改造的成本。由于该系统的变频器为通用的变频器，因此系统的改造成本较低。