礦井提升機(jī)400 kW變頻DTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

宋健焜

(銅陵有色設(shè)計(jì)研究院，安徽 銅陵244000)

礦井提升機(jī)400 kW變頻DTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

宋健焜

(銅陵有色設(shè)計(jì)研究院，安徽 銅陵244000)

銅陵有色金屬公司仙人橋銅礦副井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求有好的高性能價(jià)格比，同時(shí)必須滿足國(guó)家能源政策的綜合能耗指標(biāo)先進(jìn)和可靠性的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。據(jù)此對(duì)礦井提升裝置的電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并經(jīng)生產(chǎn)應(yīng)用，整機(jī)達(dá)到良好的電氣控制系統(tǒng)的綜合運(yùn)行性能和降低能耗的目的。

礦井提升機(jī);DTC控制技術(shù);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

為了提高副井提升電控系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，保證提升機(jī)電控系統(tǒng)裝置的綜合可靠性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用數(shù)字交流變頻器和與之配套的調(diào)速控制器等構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)提升裝置的控制。經(jīng)安裝、調(diào)試、生產(chǎn)應(yīng)用，整機(jī)達(dá)到提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合運(yùn)行性能可靠和降低能耗的目的。

(1)提升機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)有集中式自動(dòng)控制系統(tǒng)和分散式自動(dòng)控制系統(tǒng)兩種形式，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用能量再生式傳動(dòng)變頻器裝置為核心的分散式自動(dòng)控制系統(tǒng)。

(2)矢量控制系統(tǒng)(VC)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(DTC)都是已經(jīng)普遍應(yīng)用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)它們的理論基礎(chǔ)都緣于電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型，與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制獲得了更快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。

(3)提升機(jī)傳動(dòng)具有大慣量負(fù)載的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)結(jié)合DTC控制技術(shù)在起制動(dòng)時(shí)要求有很快的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，要求傳動(dòng)系統(tǒng)在各種電網(wǎng)條件下應(yīng)有卓越的性能，此外，DTC控制技術(shù)還可以有效的提高DC回路的電壓，即使在電壓較低的電網(wǎng)，變頻器也可以獲得較高的功率輸出。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)主控裝置:提升機(jī)成套交－直－交變頻(DTC直接轉(zhuǎn)矩)調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)可以滿足提升機(jī)四象限運(yùn)行特性的要求，并滿足一定的過(guò)載能力和安全系數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用相互獨(dú)立的兩套 PLC構(gòu)成安全回路雙線制，按照《GB/T 17626電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)振蕩波抗擾度試驗(yàn)》的電磁兼容要求進(jìn)行設(shè)計(jì)并符合有關(guān)規(guī)定要求。安全回路、PLC等關(guān)鍵電路采用冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);

(2)提升機(jī)有彈簧疲勞、閘瓦磨損、閘盤偏擺、主軸軸承溫度等檢測(cè)設(shè)備(各檢測(cè)設(shè)備數(shù)量和電氣接口，由提升機(jī)電控設(shè)備制造商與提升機(jī)主機(jī)設(shè)備制造商進(jìn)行機(jī)電配合)。提升機(jī)留有2臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)和3臺(tái)多繩軸編碼器的接口(該接口要求由電控設(shè)備制造商向提升機(jī)主機(jī)制造商提供)。

2 系統(tǒng)組成

總體成套設(shè)備由全數(shù)字交－直－交DTC變頻調(diào)速系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、上位監(jiān)控系統(tǒng)組成。見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System Structure Chart

圖2為系統(tǒng)(150% 過(guò)載能力)配置圖。

圖2 三相全控橋邏輯無(wú)環(huán)流DTC直接轉(zhuǎn)矩控制配置圖Fig.2 Configuration Diagram of Three－Phase Fully－Controlled Bridge DTC Direct Torque Control with Logic Non－Loop

主控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用PLAc原裝可編程控制器，為主控PLC、從控PLC，應(yīng)用軟件能夠完成提升機(jī)手動(dòng)、半自動(dòng)、檢修、應(yīng)急開車等運(yùn)行方式的控制要求。

(1)手動(dòng)。司機(jī)可以通過(guò)手柄控制提升速度在0～6 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，同時(shí)允許司機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)閘力;

(2)半自動(dòng)。信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出開車信號(hào)，司機(jī)確認(rèn)后提升機(jī)能自動(dòng)完成一個(gè)提升循環(huán)，具有自動(dòng)選擇去向，確定運(yùn)行速度和自動(dòng)施閘等功能;

(3)檢修運(yùn)行。最高速度0.5m/s，司機(jī)通過(guò)手柄能夠?qū)崿F(xiàn)低速連續(xù)可調(diào);

(4)應(yīng)急開車。可用于PLC故障時(shí)，在低于2m/s速度下應(yīng)急運(yùn)行;

(5)應(yīng)急操作。在任何運(yùn)行方式下，司機(jī)通過(guò)急停按鈕或腳踏開關(guān)實(shí)施急停操作。

3 系統(tǒng)研究

3.1 自動(dòng)化控制

仙人橋銅礦副井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的交－直－交變頻器裝置通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)選擇不同的操作方式和各種功能，也可以使用RS485接口以Modbus、Profibus－DP、Device－Net等協(xié)議與控制盤或PC機(jī)通訊，由PC機(jī)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的控制參數(shù)設(shè)定和系統(tǒng)全過(guò)程的圖形和數(shù)據(jù)顯示，可以由此產(chǎn)生傳動(dòng)控制器所需的給定值，調(diào)取變頻調(diào)速裝置所有參數(shù)設(shè)定和運(yùn)行參數(shù)。PLC與變頻控制器之間可以通過(guò)區(qū)域總線適配器進(jìn)行通訊，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式以模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制。

3.2 直接轉(zhuǎn)矩控制

系統(tǒng)采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制方式，對(duì)變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行檢測(cè)和控制，在0.5 Hz時(shí)，最大輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)到150%，在不＞500 kW的變頻器采用DTC原理控制的輸出頻率和輸出電壓，使普通標(biāo)準(zhǔn)交流異步電機(jī)獲得完美的速度和力矩控制特性，以其高可靠性、性價(jià)比在中、小型礦山垂直提升設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

(1)配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。中壓10 kV配電系統(tǒng)采用5臺(tái)礦用一般型成套開關(guān)柜組成，由35/10 kV總降所提供兩回路10 kV供電電源，電纜進(jìn)、出線。具有有功kWh計(jì)量、V、I測(cè)量、失壓、過(guò)流、進(jìn)線聯(lián)鎖以及電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，各礦用一般型高壓柜采用微機(jī)綜合保護(hù)。低壓0.4 kV電源配電裝置2臺(tái)，采用成套礦用一般型抽出式開關(guān)柜組成，相同容量互換、防護(hù)IP54，具有電壓、電流測(cè)量，過(guò)流、雙電源自動(dòng)切換進(jìn)線。

(2)輔助電源設(shè)計(jì)。采用雙電源回路進(jìn)線，必要的電氣保護(hù)，為電控系統(tǒng)的輔助設(shè)備供電，配有UPS不間斷電源，以便在第一、第二電源故障情況下，能夠使提升機(jī)實(shí)現(xiàn)可靠的安全制動(dòng)，以及保持計(jì)算機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，留有6個(gè)100 A的斷路器備用回路。

(3)逆變整流變壓器1臺(tái)，設(shè)計(jì)冗余容量≥800 kVA。

(4)交－直－交變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。原裝進(jìn)口DTC轉(zhuǎn)矩控制變頻器1套，并配有提升機(jī)專用軟件，改變控制特性:在零速起動(dòng)力矩能夠達(dá)150%以上的額定力矩，防止起動(dòng)倒轉(zhuǎn)。PID速度閉環(huán)控制，速度調(diào)節(jié)精度達(dá)1∶100以上，起動(dòng)防沖擊的“S”化速度給定。能量回饋電網(wǎng)控制系統(tǒng)，能量回饋單元采用AFE形式。脈動(dòng)控制，四象限運(yùn)行，具有自換向，脈沖式整流。控制軟件能夠完成提升機(jī)手動(dòng)、半自動(dòng)、檢修、應(yīng)急開車等運(yùn)行方式的要求。

控制設(shè)計(jì)可與信號(hào)、操作系統(tǒng)之間的相互閉鎖，保護(hù)，對(duì)于全速超速、井筒兩端減速段超速、上下過(guò)卷具有兩套獨(dú)立安全保護(hù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)定點(diǎn)速度監(jiān)視、閘瓦磨損與彈簧疲勞的監(jiān)控與保護(hù)功能。

行程給定設(shè)計(jì)，定位精度誤差≤2 cm，提升容器行程位置數(shù)字顯示，在井筒內(nèi)設(shè)置同步開關(guān)對(duì)光電編碼器進(jìn)行同步校正。

(5)保護(hù)制動(dòng)設(shè)計(jì)。立即施閘的緊急停車(一級(jí)制動(dòng));安全制動(dòng)(二級(jí)制動(dòng));完成該次提升后，不允許再次開車的安全制動(dòng)。監(jiān)視提升系統(tǒng)各路電源，對(duì)主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)冷卻通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)順序聯(lián)鎖控制。安全保護(hù)繼電，與PLC軟件保護(hù)回路互為監(jiān)視的冗余。工作閘自動(dòng)控制，工作閘由PLC軟件和安全回路節(jié)點(diǎn)控制，具備自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)。手動(dòng)時(shí)可調(diào)節(jié)制動(dòng)油壓，自動(dòng)時(shí)由PLC軟件自動(dòng)給出松閘、預(yù)貼閘、施閘控制信號(hào)。從PLC有獨(dú)立的安全保護(hù)環(huán)節(jié)，與主PLC互相監(jiān)視、協(xié)同工作。

(6)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。提升系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)畫面生成、故障自檢顯示、報(bào)警、各類報(bào)表生成、歷史紀(jì)錄，畫面:系統(tǒng)全貌及介紹、安全回路圖、計(jì)算機(jī)硬件監(jiān)測(cè)及通訊監(jiān)視圖、動(dòng)態(tài)速度圖、故障信息及事件記錄(列表及打印輸出)、提升信號(hào)顯示。

(7)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。安全閉鎖裝置，并具備聲光指示功能，有罐籠運(yùn)行，提人、提物、檢修等種類信號(hào)，有罐位、去向、要罐、水平執(zhí)行、換層、對(duì)罐、急停、電源、安全門開閉、事故信號(hào)、開車信號(hào)等指示，并有各種音響提示，記憶查詢。各相關(guān)中段不發(fā)信號(hào)，井口信號(hào)房發(fā)不出信號(hào)。井口信號(hào)房不發(fā)信號(hào)，提升機(jī)房收不到信號(hào)，提升機(jī)不能工作;罐籠不到位，信號(hào)不能發(fā)出;急停信號(hào)與絞車安全回路閉鎖功能:按下急停，斷開提升機(jī)安全回路。

5 結(jié)語(yǔ)

提升電控是一個(gè)完整的系統(tǒng)、設(shè)計(jì)既需要滿足提升機(jī)基本性能的需要，也要符合技術(shù)的先進(jìn)性。同時(shí)也要充分考慮能源損耗情況。仙人橋銅礦副井提升機(jī)的能量自反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的典型意義，其能量再生式傳動(dòng)公共直流母線的能量自行分配功能，轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)的發(fā)電能量回饋給主驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用，制動(dòng)力矩越大，回饋能量就越多，從電網(wǎng)取得的電能就越少，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波干擾就越小。電網(wǎng)電流諧波:＜5%基波電流;電網(wǎng)電壓諧波:＜4%基波電壓(取決于電網(wǎng)的短路比Rsc)比普通的矢量控制系統(tǒng)電壓諧波顯著要小。該副井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)生產(chǎn)應(yīng)用，整機(jī)達(dá)到了良好的綜合運(yùn)行性能和降低能耗的目的，同時(shí)也滿足了國(guó)家能源政策的相關(guān)要求。

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Design of Direct Torque Control(DTC)System with 400 kW Frequency Converter for Mine Hoist and Its Application

SONG Jian－kun
(Tongling Design and Research Institute for Nonferrous Metals，Tongling，Anhui 244000，China)

The design of electrical control system of the auxiliary shaft hoist in Xianrenqiao Copper Mine of Tongling Nonferrous Metals Company requires high performance and low cost，and it must meet the requirement of advancement and reliability of comprehensive energy－consumption index in national Energy Policy Act.In view of the above，the design of electrical control system of mine hoist and its application were conducted.It was proved that the system's integrative performance was good，and achieved the purpose of reducing energy consumption.

mine hoist;DTC control techndogy;system design

TM921.51

A

1004－2660(2012)01－0055－04

2012－01－28.

宋健焜(1954－)，男，安徽人，高級(jí)工程師、注冊(cè)電氣工程師.主要研究方向:采礦、選礦電氣工程設(shè)計(jì).E－mail:jks206@163.com