摘要
簡要介紹了艾默生CT SP系列變頻器的容量選擇、外接制動電阻、控制回路的抗干擾措施及變頻器的故障診斷與日常維護等方面的應用。
關鍵詞：容量選擇；制動電阻；抗干擾；故障診斷；日常維護；應用
0 引言
礦井提升設備在按對供電可靠性要求的負荷分類中，屬于二級負荷，是礦井運輸?shù)闹饕h(huán)節(jié)，主要任務是提升井下的矸石、煤和廢石，同時還要運送人員、設備和材料，因此礦井提升機工藝對電氣傳動的要求是很高的。主要表現(xiàn)在：第一，提升機電氣傳動的可靠性，不僅關系到礦井的生產能力和生產計劃管理，而且直接關系到井下每個礦工的生命安全，電控設備的任何故障都可能造成人身事故和整個礦井停產。第二 ，必須滿足提升機力圖要求并能在四象限平滑運行。第三，能夠頻繁進行正向、反向、啟動、運行、停車、制動，能按一定的速度圖運行。第四，負載屬于恒轉矩負載，對礦井提升機來說，負載轉矩的大小，僅僅取決于負載的輕重，而與轉速的大小無關。
礦井提升過程一般包括：啟動加速、等速、減速、爬行和停車五個環(huán)節(jié)。目前我國傳統(tǒng)煤礦提升機廣泛采用交流繞線式感應電動機拖動。根據(jù)感應電動機轉子回路串電阻調速的機械特性，當在轉子回路串接附加電阻后，機械特性硬度降低，穩(wěn)定性受到影響。一般調速范圍不大于（2~3）。另外轉子回路的電流較大，不宜長時間低速運轉。在啟動加速過程中，為了既不出現(xiàn)不容許的過載，又能發(fā)揮電力拖動的最大工作效果，要求提升各環(huán)節(jié)依一定的順序在適當?shù)臅r間內完成，以保證在各環(huán)節(jié)過渡中電動機的電流和轉矩不超過允許的極限值。目前一般采用以電流為主、時間為輔的控制原則，既通過檢測電流和時間來切換轉子電阻；在減速過程中，一般采用斷開三相電源投入直流電流進行動力制動減速，同時投入合適的轉子電阻。為保證減速度符合有關煤安要求，一般在機械傳動部安裝凸輪盤，通過凸輪盤曲線調整注入到電動機直流電流的大小，使得負載按設定的速度曲線運行。進入爬行階段，由于速度降低，轉子切割直流電流建立的磁場變慢，制動力降低，此時不能用直流制動進入爬行階段，一般引入一套低頻電源裝置控制電機在低速爬行直到投入液壓盤閘停車。通過以上對傳統(tǒng)提升機電控介紹，為滿足有關煤安對提升的加速度、減速度、速度運行曲線、正反向力的控制的要求，用感應電動機轉子回路串電阻調速方式用于煤礦提升的控制電路極其復雜、由于負載的不確定，在減速階段通過凸輪盤對注入直流電流的負反饋的電子電路調試難度非常大；特別是在進入爬行階段需增加一套低頻電源裝置，在切換瞬間，整個控制系統(tǒng)會出現(xiàn)短暫失控狀態(tài)。
而新型的礦井提升機變頻電控設備采用變頻器作為核心部件，發(fā)展十分迅速。它在操控性能、節(jié)能，降低噪音，維護量等方面的優(yōu)點非常突出?？梢愿拘缘慕鉀Q以上傳統(tǒng)提升電控出現(xiàn)的所有問題。但各類變頻器均有各自的使用特點和差異，本文就艾默生CT SP系列變頻器在2.5米礦井提升機中的應用和選配作簡單介紹。主井為立井，井筒深度325米，井架高度22米，主井采用的提升機為2JK-2.5×1.5/31.5型單繩纏繞式提升機，鋼絲繩最大靜張力為90kN,兩根鋼絲繩最大靜張力差為55kN,原配電機為26OKW10KV繞線型三相異步電動機，所配電控為繼電邏輯控制的串電阻調速電氣控制系統(tǒng)。為了適應煤礦新形勢的需要，滿足煤安最新要求，將原電控系統(tǒng)改造成節(jié)能、便于維護與操作、技術先進價格合理的變頻電氣控制系統(tǒng)。
經過多方考察與經濟技術比較，改造后的電源將原10KV電壓通過一個500KVA變壓器降壓為380V，主電機改為YVF400L4-10型355KW380V變頻調速三相異步電動機，通過對多種變頻器進行詳細的技術、經濟和綜合性能比較，我采用了EMERSON CT CT公司的SP系列變頻器，該電控系統(tǒng)已于去年成功使用，用戶特別滿意，節(jié)能效果比較明顯。
變頻裝置主要技術參數(shù)
(1)輸入電源電壓AC380-480V，頻率50HZ；電壓允許波動范圍+/-10％；頻率允許波動范圍48-65HZ；
(2)輸出頻率范圍0～50Hz連續(xù)可調；
(3)額定重載輸出功率：500kW。
(4)過載能力200%以上，1分鐘；
(5)有較高的功率因數(shù)cOS(p>0．98；
(6)低頻運轉時，有自動轉矩提升功能，能保證200％ 的額定轉矩；
(7)變頻器設有過壓、欠壓、過流、過載，功率元件過熱和電機缺相等保護，設有故障記憶功能，能保留最近10次故障的功能號碼和最后一次故障的參數(shù)；
(8)總諧波含量<5％。
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主要技術原理
(1)采用全數(shù)字速度傳感器閉環(huán)矢量控制，使系統(tǒng)調速范圍寬、調速精度高。變頻器在低頻運行時，也保證有175％以上額定力矩輸出。最大轉矩為額定轉矩的2倍，矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量(勵磁電流)和產生轉矩的電流分量(轉矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量問的幅值和相位，即控制定子電流矢量，這種控制方式稱為矢量控制方式。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。新型矢量控制變頻器具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應功能，在驅動異步電動機進行正常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結果調整控制算法中的有關參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。
(2)操作簡便可靠，司機只用主令控制手把就可以實現(xiàn)絞車的起動、等速、減速、爬行和重物下放時操作，減輕了操作強度。
(3)當絞車作重物下放操作時，電動機變?yōu)榘l(fā)電機狀態(tài)運行，此時系統(tǒng)能自動將電動機發(fā)出的再生能量消耗在制動電阻上。同時，制動力矩增大，保證了絞車下放時的安全性。
(4)雙加／減速時間可根據(jù)提人和提物選擇改變變頻器內的加速度、減速度的不同值
(5)具備變頻器諧波治理。
1、變頻器容量選擇原則
在提升機械中，選擇電動機容量的依據(jù)是電機線圈的發(fā)熱量。就是說，在電動機帶得動的前提下，只要其溫升在允許范圍內，短時間的過載是允許的。若電動機以變速度和變力矩運轉時產生的熱量與此電動機以額定轉速和固定力矩運轉時產生的熱量相等，就可以根據(jù)該固定力矩和額定轉速來計算和選擇電動機的容量，通常稱此固定力矩為等效力矩。電動機的過載能力一般定為額定轉矩的1.8-2.2倍。
當電動機和變頻器以恒轉矩工作時，在長時工作制（S1）下，EMERSON CT公司SP6及以上系列變頻器的電流允許在閉環(huán)狀態(tài)下60S內有50%的過載，對啟動轉矩和加速轉矩提供一個足夠的備用。由于礦井提升機屬于恒轉矩負載，因此變頻器的基本負載電流最少要等于在所要求的負載工作點在滿載轉矩下的電機電流值。變頻器的容量選擇原則應符合以下原則：
（1）由于礦井提升機屬于重載啟動運行，電機級數(shù)一般為6級以上，因此變頻器的額定功率至少要比電機功率放大一至二檔，并且變頻器的重載最大持續(xù)輸出電流要大于電動機的額定電流。一般來說，變頻器額定功率為電機額定功率的1.3倍左右。
（2）變頻器的最大電流必須大于或至少等于電機的額定電流，在多電機傳動下，大于或等于總的電機額定電流。否則過低的漏感會產生過高的電流尖峰，導致跳閘。
由于主電機額定電流為720A，根據(jù)以上原則，并考慮到第一次配用，因此變頻器重載最大持續(xù)輸出電流選為900A，變頻器型號為SP9414，正常負載下標稱功率為560kW，重載下標稱功率為500kW。
為了使用閉環(huán)矢量控制功能，還需在主電機軸端安裝一個正交增量型編碼器，以及時反饋電機信號。
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2、自配外接制動電阻及選擇
礦井提升機在下放重物時，將產生大量的再生能量。對再生能量的處理方法有兩種，一種是用制動單元和制動電阻來吸收，另一種是通過設置在直流公共母線上的整流回饋裝置回饋到電網(wǎng)。由于整流回饋裝置價格較貴，對電網(wǎng)的要求也較高，且礦井提升機的總工作時間并不長。綜合性價比，一般采用制動單元加制動電阻的能耗制動方式。
制動單元就是在直流母線回路中加接一檢測直流母線電壓的IGBT管，一旦直流母線回路電壓超過一定的界限，該晶體管導通，并將過剩的電能通過與之相連接的制動電阻器轉化為熱能消耗掉。
制動電阻的選擇需考慮制動力矩（即通過制動電阻的電流）和制動功率（制動電阻消耗的再生電能）。SP9414變頻器標配4個制動單元，4個制動單元的制動功率滿足150%以上的制動力矩要求。這里只對制動電阻的阻值和制動電阻功率進行配置。提升機在整個工作過程中最大再生發(fā)電功率出現(xiàn)在減速階段，此時負載（含鋼絲繩）的動能和勢能均需要考慮。
減速階段再生發(fā)電電能：
A=（1/2MV02-1/2MV12+A1）*K A再生發(fā)電電能，M鋼絲繩質量和負載質量、V0減速點速度、V1停車時速度=0、A1減速點到停車點的勢能、K回饋時的機械轉換效率取0.7
減速階段再生發(fā)電功率
P=A/T P減速階段再生發(fā)電功率 T=減速階段減速時間
通過查資料得知：變頻器SP9414每個制動單元所配制動電阻的最小電阻值為3.8歐，瞬時額定功率為160kW,每分鐘平均功率為160kW。該系統(tǒng)每個制動單元實際所配制動電阻的最小電阻值為3.92歐，滿足單個SP9414變頻器單個制動電元要求。由7箱ZX26-0.56Ω100A，該電阻長時消耗功率為每箱5kW，考慮電阻的熱時間系數(shù)，在周期60S內通電持速率為17.5%時瞬時功率消耗為28.35kW。滿足系統(tǒng)要求。
4、編碼器的選擇
本系統(tǒng)為大容量電機，工作電流較大，現(xiàn)場電磁干擾惡劣，因此編碼器的選擇尤為重要。編碼器的供電電壓盡量選高，且為差分。SP系列變頻器目前支持市面主流編碼器，電壓達到DC15V。
3、變頻器控制回路的抗干擾措施
由于主回路的非線性(進行開關動作)，變頻器內由于存在IGBT等高速開關的工作，在電路中會出現(xiàn)分布電感和分布電容，產生磁能和電能的轉換，出現(xiàn)傳導干擾和空間電磁輻射。而其周邊控制回路卻是小能量、弱信號回路，容易受干擾，造成變頻器自身和周邊設備無法正常的工作。因此，變頻器在安裝使用時，必須采取抗干擾措施：
（1）速度給定的控制電纜取1點接地，接地線不作為信號的通路使用。
（2）電纜的接地在變頻器側進行，使用專設的接地端子，不與其它接地端子共用，并盡量減少接地端子引接點的電阻，一般不大于4歐姆。
（3）變頻器前側安裝線路電抗器，可抑制電源側過電壓，并能降低由變頻器產生的電流畸變，避免使主電源受到嚴重干擾。
（4）由于電網(wǎng)的波動，以及現(xiàn)場電源具有自動無功補償裝置，變頻器輸入側加裝輸入電抗器尤其重要。
（5）變頻系統(tǒng)的供電電源與其他供電電源相互獨立。
（6）電動機和變頻器之間的電纜應穿鋼管敷設或用鎧裝電纜，并與其他的弱電信號在不同的電纜溝分別敷設，避免輻射干擾。
（7）信號線采用屏蔽線，且布線時與變頻器主回路控制線錯開一定距離（至少20cm以上），切斷敷設干擾。
（8）變頻器使用專用接地線，且用粗短線接地，鄰近其他電氣設備的地線必須與變頻配線分開，使用短線。這樣能有效抑制電流諧波對鄰近設備的輻射干擾。
（9）當電機電纜長度大于50m或80m(非屏蔽)時，為了防止電機啟動時的瞬時過電壓，減小電動機對地的泄露電流和噪聲，保護電動機，應在變頻器和電動機之間安裝電抗器。
變頻器SP9414內置壓降為2%的輸入線路電抗器和有中心抽頭的輸出均流電抗器。增加進線電抗器可降低因相位不均衡或電網(wǎng)嚴重干擾造成驅動器損壞，同時降低諧波電流。
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4、變頻器故障診斷與日常維護
艾默生CT SP系列變頻器的驅動器顯示器顯示驅動器的各種狀態(tài)信息，分為以下三類：故障指示、告警指示、狀態(tài)指示。如驅動器故障，驅動器輸出即停止，驅動器不再控制電機。下排顯示器顯示故障類型，上排顯示器顯示故障信息。有關故障指示信息見用戶手冊表13-1。
在變頻器日常維護過程中:
(1) 整流模塊損壞 一般是由于電網(wǎng)電壓或內部短路引起。在排除內部短路情況下，更換整流橋。在現(xiàn)場處理故障時，應重點檢查用戶電網(wǎng)情況，如電網(wǎng)電壓，有無電焊機等對電網(wǎng)有污染的設備等。
(2) 逆變模塊損壞 一般是由于電機或電纜損壞及驅動電路故障引起。在修復驅動電路之后，測驅動波形良好狀態(tài)下，更換模塊。在現(xiàn)場服務中更換驅動板之后，還必須注意檢查馬達及連接電纜。在確定無任何故障下，運行變頻器。
(3) 上電無顯示 一般是由于開關電源損壞或軟充電電路損壞使直流電路無直流電引起，如啟動電阻損壞，也有可能是面板損壞。
(4) 上電后顯示過電壓或欠電壓 一般由于輸入缺相，電路老化及電路板受潮引起。找出其電壓檢測電路及檢測點，更換損壞的器件。
(5) 上電后顯示過電流或接地短路 一般是由于電流檢測電路損壞。如霍爾元件、運放等。
(6) 啟動顯示過電流 一般是由于驅動電路或逆變模塊損壞引起。
(7) 空載輸出電壓正常，帶載后顯示過載或過電流 該種情況一般是由于參數(shù)設置不當或驅動電路老化，模塊損傷引起。
5、結束語
隨著變頻技術的不斷發(fā)展，變頻器的特性、性能及功能日益完善，如何更恰當、更合理地選擇變頻器是驅動控制系統(tǒng)設計成功的關鍵所在，如何利用變頻器的功能使系統(tǒng)設計更加符合使用要求是設計發(fā)展的方向。變頻器在礦井提升機中的應用也將越來越廣泛。
參考文獻
[1] 張艷賓.電動機變頻調速圖解.北京：中國電力出版社,2003.
[2] 周志敏，紀愛華.電磁兼容技術.北京：電子工業(yè)出版社,2007.
[3] Unidrive SP系列變頻器用戶手冊,2007.
作者：
1吳水章，男，1970年出生，大學畢業(yè)，工學學士學位，電氣工程師，當前主要從事工業(yè)自動化的設計工作，致力于PLC及變頻器的應用。
2林海，男，大學學歷，技術經理
(1重慶泰豐礦山機器有限公司,重慶 400051；2重慶正宏自動化控制有限公司，重慶 400051)
（轉載）
