第２３卷第２期 机电产品开笈与钏崭 Ｖｏ１．２３，Ｎｏ．２ ２０１０年３月 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｍａｒ．．２０１ ０ 文章编号：１ｏ０２—６６７３（２０１０）０２～１６１—０３ 大功率变频控制系统在煤矿井下的应用与分析 李宏慧 ，王岗岭 ，臧朝伟 （１．平顶山市工业职业技术学院机电系，河南平顶山４６７０００；２．平煤神马集团十三矿，河南平顶山４６７０００） 摘 要：十三矿己３钢缆皮带机电控系统采用电压１１４０Ｖ、功率２ｘ５００ＫＷ四象限交流变频拖动，技术含量高， 保护灵敏，节能，启动平缓，制动可靠，为大功率变频调速系统煤矿井下的应用提供了很好的范例。 关键词：大功率；隔爆兼本安；四象限；变频调速 中图分类号：ＴＤ８２；ＴＨ一３９ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－６６７３．２０１０．０２．０６８ Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｉｌｇｈ－ｐｏｗｅｒｅｄ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ＬＩＨｏｎｇ－Ｈｕｉ ，ＷＡＮＧ Ｇａｎｇ－Ｌｉ， ，ＺＡＮＧ Ｚｈａｏ－Ｗｅｉ （１．Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｈｅｎａｎ ４６７０００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎｏ．１３ Ｍｉｎｅ ｏｆ Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ（Ｇｒｏｕｐ），Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｈｅｎａｎ ４６７０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎｅｓｅｌｆ ｔｈｒｅｅ ｗｉｒｅ ｒｏｐｅ Ｂｅｌｔ Ｃｏｎｖｅｙｅｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｉｒｔｅｅｎｔｈ ｍｉｎｅ ｏｆ Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ ｃｏａｌ ｇｒｏｕｐ，ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔ ａ ｖｏｌｔａｇｅ １ １４０Ｖ，ｐｏｗｅｒ（２Ｘ５００）ＫＷ，ａｎｄ ｗｉｔｈ ｉｔｓ ｆｏｕｒ—ｑｕａｄｒａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｄｒｉｖｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｓｕｃｃｅ￣ｆｕＵｙ ｃｏｍｂｉｎｅ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｍｅｎｔ ｗｉｔｌ１ ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｐｕｒｐｏｓｅ ｗｈｉｌｅ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ａ ｄｅｈｃａｔｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｓｔａｒｔ—ｕｐ ａｎｄ ｔｒｉｇ．ｓｏ ａｓ ｔｏ ｏｆｆｅｒ ｕｓ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｅｘｅｍｐｌｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒｅｄ ｔｙｐｅ ｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ；ｆｌａｍｅｐｒｏｏｆ－ｉｎｔｉｒｎｓｉｃａｌｌｙ ｓａｆｅ；ｆｏｕｒ—ｑｕａｄｒａｎｔ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ０引言 有资源，在技术先进的基础上，做到经济实用。 十三矿己３钢缆皮带机为电压１ １４０Ｖ、功率（２ｘ５００） １系统简介 ＫＷ四象限交流变频拖动，主导轮直径３．５ｍ，运输能力 在本系统中最关键的是拖动系统，而变频器又是拖 ５００ｔ／ｈ，最大速度２ｍ／ｓ，全长２２８０ｍ，带宽ｌｍ，具有良 动系统的核心。本设计采用无速度传感器磁通矢量控制 好的运行特性，能实现高效运行，具有运煤、运人、验 的变频器拖动系统。 绳三种运行速度。 （１）采用磁通矢量控制变频器：本系统变频器采用 在钢带机电控系统中，变频器是设备安全运行的关 ＳＰＷＭ磁通矢量控制方式。要实现精确的磁场定向矢量 键和核心，其运行性能好坏直接影响到原煤和人员的安 控制，则必须在异步电动机上安装精密的测速装置．但 全运输。十三矿使用的四象限变频电控系统是全国第一 在井下钢丝绳牵引带式输送机上安装测速装置是很困难 套大功率变频调速系统，技术含量高，保护灵敏，节 的，同时会增加系统的维护量。ＳＰＷＭ磁通矢量控制的 能，启动平缓，制动可靠；本系统运用了主动前端自换 基本控制思想是根据输人的电动机的参数．按照一定的 技术，脉宽调制斩波技术，矢量控制技术，自调整技术 关系式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通） 等，遵循了“五高”建设方针，即高起点、高技术、高 和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组电压 质量、高效率、高效益，突出效益优先：同时技术先 的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值、 进，可靠性高，扩展与升级容易，具有故障自诊断功 检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。采 能，做到够用、适用、好用、易扩展，并充分利用了现 用ＳＰＷＭ磁通矢量控制的变频器不仅可在调速范围上与 直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转 收稿日期：２０￣１０－０２—０９ 矩，以保证在低频运行时额定转矩的输出。 作者简介：李宏慧（１９７３一），河南郏县人，讲师，工程师。 现主要从事供电及自动化技术应用与研究等方面的工作。发 （２）良好的散热功能：通用变频器在国内外以广泛 表论文多篇。 应用，但由于大功率器件的散热问题一直未能得到解决 １６１ ・测试与控制． 而没有在煤矿井下得到广泛的应用，此次研制生产的隔 升速。此方案适于载荷不均的钢丝绳牵引带式输送机系 统，可大大节约电能，同时降低钢丝绳牵引带式输送机 爆变频器由于采用真空热管散热技术．很好的解决了大 功率器件的散热问题，投入使用以来．效果很好。 （３）优越的变频软起动、软停止特性：软起动、软 停止特性是钢丝绳牵引带式输送机驱动系统的首选目 标。钢丝绳牵引带式输送机带负载运行时具有极大的惯 性，起动加速度与停车减速度的值越大，在机械系统上 系统的设备损耗，延长使用寿命。 针对平煤十三矿钢丝绳牵引胶带输送机系统．不仅 可以通过“运行方式”选择“运煤”、“运人”或“验绳”以达 到不同的速度设定，还提供了无级调速接口以供现场需 要进行调速。 储存的能量就越大，而释放这些能量就会对输送机机械 系统产生极大的冲击。变频器的起动、停止时间是任意 （７）可任意调整的加、减速度：根据钢丝绳牵引胶带 输送机电力拖动的工作原理，要求起动平稳，并可满载起 可调的，也就是说起动时的加速度和停车时的减速度任 意可调，同时为了平稳起动，匹配其具备的Ｓ型加减速 时间，这样可将钢丝绳牵引带式输送机起停时产生的冲 击减至最小 图ｌ系统曲线 （４）平稳的重载起动：钢丝绳牵引带式输送机在输 煤过程中任意一刻都可能立即停车再重新起动，必须考 虑“重载起动”能力。另外由于采用ＳＰＷＭ磁通矢量控 制方式，低频运转可输出１．５～２倍额定转矩，因此最适 于“重载起动”。 （５）自动回馈制动：当系统处于负力运行时能自动 进人回馈制动运行状态，将能量反馈到电网中，从而在 负力提升的状态下也能实现准确的速度控制，又达到了 节能的效果。 （６）实现无级调速：钢丝绳牵引带式输送机是煤矿 生产运输系统主要组成部分．从最大限度的满足安全生 产、经济运行的角度出发，驱动系统不仅可实现运人、 运料、验绳等多种速度，而且可实现无级调速。变频器 可调整电机于５％一１００％额定带速范围内的任意带速长 期工作。并且在任意速度下均可提供额定转矩。对应于 煤矿的特殊生产条件，有时。煤的产量是极不均匀的， 当然钢丝绳牵引带式输送机系统的运煤量也是不均匀 的，在负载较轻或无负载时。钢丝绳牵引带式输送机系 统的高速运行对机械传动系统的磨损浪费较为严重，同 时电能消耗也较低速运行大的多。但因生产的需要钢丝 绳牵引带式输送机系统又不能随时停车。采用单独的 ＰＬＣ控制系统对前级运输系统的载荷、本机运输系统的 载荷进行分别测量，这样可控制变频器抑后降速或提前 １６２ 动。为减少机械冲击与电机容量，要求加、减速度要小于 ０．２ｍ／ｓ ；同时为防止起动时瞬时打滑，要求等加速起动。 变频器的加减时间可分别任意调整（０．１ ９９９９ｓ）． 故加减速度可以根据需要任意设定，满足钢丝绳牵引胶 带输送机电力拖动的特殊要求。 （８）完善的保护和故障自诊断功能：变频器具有完 善的保护功能，以保障电气设备的正常运行。如：过 压、欠压、过流、过热、短路、接地、三相不平衡、缺 相等保护功能，不仅能保留１０次故障代码．还能保存 相应的故障参数。 （９）特殊措施：针对矿山应用的特殊环境，隔爆变 频器除了在箱体结构方面采取了相应的防爆、防潮、防 滴水措施外，在主回路方面尽量加大爬电距离与电气间 隙，在控制回路方面，所有的控制板均涂抹多遍三防漆。 （１０）隔爆兼本安型ＰＬＣ控制箱：①胶带边缘线速 度等同，实现两驱动电机之间胶带边缘线速度等同；② 两机动态功率平衡；③完成各种保护的控制；④实现液 压站油泵、润滑站油泵的选择及控制。 （１１）本质安全型操作集控台：操作集控台具有设 备操作及显示功能。设备操作，操作方式选择、速度设 定、启停胶带输送机、可逆运行等；在操作台实时显示 两台电机的电流、电压、速度、故障保护状态显示及控 制（断绳、上行下行越位、张紧状态、煤仓堆煤、打 滑、温度等保护的显示）。 （１２）保护系统及传感器：由于本系统比较复杂， 各种保护数量比较多，如果采用电缆直联，不仅要耗费 较多的电缆、增加工程施工量，也不利于系统的检修和 维护。本系统采用现场总线型网络，只敷设一根三芯屏 蔽电缆，形成总线型网络，将所有的保护纳入网络系 统，且对位显示，便于维护和检修。要注意的是，急停 线、电源和通讯单独敷设电缆。 本安型语言告警箱：在上下乘人区。均设立语言告 警箱。开车前，语言告警装置发出语音告警。 就地急停及启动确认按钮：由于本胶带输送机传输 距离比较远，现场工况又比较复杂。因此，在机头、机 尾和有关需要停机的地方设立 （下转第１１３页） ・制造业信息化・ 些可以定制的方式，系统和外界交换数据 就非常的容易了。最大的好处是增添新的 接口无须改变系统的框架。通过这一方式 完全能够满足企业现在和未来的需要。 （２）Ｗｅｂ ＡＰＩ设计。由于Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅ 是自描述的，所以接口会变得通俗易懂， 数据类型都采用ＸＭＬ的格式，不会产生任 何歧义。Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅ是一种通过Ｗｅｂ提供 独立于界面功能的方法，它使用简单对象 访问协议（ＳＯＡＰ）这样一个开放标准来传 递参数和接收返回值。 Ｗｅｂ服务器的数据服务接收到客户的 请求后，根据请求启动应用服务器。应用 服务器进行相应处理后将结果数据存储在 数据库服务器中。数据库服务器经过数据 接口和其他系统的数据库进行数据交换， 从而达到数据集成应用的目的。 ２结束语 图３基于Ｗｅｂ服务的接口设计 ｆ２１ Ｍａｒｃｏ Ｂｅｌｌｉｎａｓｏ，等．ＡＳＰ．ｎｅｔ ＷＥＢ服务高级编程一ＶＢ．ｎｅｔ编程篇ｆＭ］． ＷｅｂＳｅｒｖｉｃｅ是先进的Ｗｅｂ分布式计算新技术，采用 北京：清华大学出版社，２００３． 基于ＷｅｂＳｅｒｖｉｃｅ的客户服务体系结构的系统具有可重 ｆ３］戴露思，廖文和，等．基于Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅ电子商务系统研究和实现 构、可移植性好，开发周期短，系统升级维护方便等优 叨．中国制造业信息化，２００３，４． 点，并能充分利用网络资源，真正做到了资源共享。 『４１边海锋，许俊华，等．基于智能代理和ｗｅｂ服务的动态电子商务集 参考文献： 成［Ｊ】．清华大学学报（自然科学版），２００３，３． ［１］何荣勤．ＣＲＭ原理・设计・实践［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００３． （上接第１６２页）就地操作点，设就地急停按钮。 ＫＷ计算，每年节约电费为５８２ｘ０．５＝２６４（万元）。 超速保护及打滑保护：测速装置：本安型轴编码器 己３防爆变频系统投入运行前。己三总机巷７部皮 两台本安型轴编码器用来测量两条钢丝绳的速度ｆ认为 带运行需要１０名司机．现在需要６名司机，每个岗位 是皮带边缘的速度），以保证两条钢丝绳速度的同步。 按系数１．５计算，一个班少用６人，三个班就是ｌ８人， 同时，该速度值又参与到控制系统的保护回路中，完成 大大节约了人力资源，其人均工资每月按２５００元计算， 超速保护及打滑保护的功能。 则年节约工资：１８ｘ１２ｘ２５００＝５４（万元）。 断绳保护、绳脱槽保护、带脱槽保护、沿线停机保护。 己３钢缆皮带投入运行以后，己１、己３两个采区 满仓、堆煤保护：为了保证输送机可靠地工作，在 可同时生产，大大提高了运输能力，每天提高１５００吨， 机尾给煤点设输送机堆煤保护传感器，在机头煤仓设满 吨煤售价按３５０元计，除去每吨成本２７０元，一年按 仓保护。 ３００天计算，则每年增加净利润为：３５０—２７０＝８０（元）， 液压站油缸涨紧保护：为了保证牵引钢丝绳的张 １５Ｏ０×８０×３ｏ０：３６ｏ０（万元）。 力，不使机尾绳落地，在机尾设置液压自动涨紧装置。 综上所述，己３钢缆皮带投人运行后，每年创直接 当压力下降到规定位置时开关动作，油泵自动启动，压 经济效益：Ｎ＝２６４＋５４＋３６００＝３９１８（万元）。 力达到规定值自动停止，以保证输送机的安全运行。 （２）社会效益。己３钢缆皮带投入运转以后，完全 ２经济效益和社会效益 满足了己１、己３两个采区原煤运输，工人可乘坐钢缆 皮带出入工作场所，大大降低了工人的劳动强度。由于 （１）经济效益。开机工作制：年工作３００天，每天２０ 本系统为全国第一套（２ｘ５００）ＫＷ防爆变频调速拖动， 小时，效率为８０％应用变频调速每年节约电能为：（２１００— 为将来的更大功率变频拖动的研制和应用提供了现场实 １０００）ｘ３００ｘ２０ｘ８０％＝５２８（万ＫＷ・ｈ）。工业用电按０．５元／ 际使用的实例，创造了巨大的社会效益。 １１３