深圳市合興加能科技有限公司 楊 維

Shenzhen Hexing IPC Technology CO.,LTD Yangwei

摘要：本文主要介紹了IPC起重行業變頻回饋電控系統在礦井絞車上的應用。變頻回饋電控系統是對礦井絞車提升機構原有的繞線式電機轉子串電阻調速控制方式進行升級改造的電氣系統，采用加能公司PH7系列起重專用變頻器對提升電機進行變頻控制，同時采用加能公司PFH重型回饋裝置將提升電機再生發電狀態下產生的再生能量回饋到電網。

Abstract:

This paper mainly describes the application of the IPC variable frequency energy feedback system which used in well winch. This system adopts PH7 series special inverter for hoisting industry and PFH series heavy-duty energy feedback equipment, and reconstruts the original rotor series resistance speed control mode, which can feed the regenerate energy of the hoisting motor back to the grid.

關鍵詞：PH7起重專用變頻器 PFH重型回饋裝置 礦井絞車改造系統

Key words:

special inverter of PH7 for hoisting industry PFH heavy-duty energy feedback equipment recontruction system of well winch
 

一、引言

礦井提升是采礦生產過程中的重要環節，井下各工作面采掘下來的礦石或煤，由運輸設備經井下巷道運到井底車場，然后再由提升設備提至地面。人員的升降，材料、設備的輸送都需要通過提升設備來完成。它是礦山井下生產系統和地面工業廣場相聯接的樞紐，用“礦井的咽喉”形象的描述了礦井提升的重要作用，十分恰當。礦井提升機或礦井絞車作為礦井提升設備中應用最多的設備，對其可靠性、安全性、經濟性要求都很高。加能公司起重行業變頻回饋電控系統已成功地用在郴州市怡鑫實業有限公司宜章縣長策銀礦礦井絞車的改造上，本文將詳細介紹其應用情況。

二、礦井絞車電氣傳動要求

1． 礦井絞車負載特性

重物上升時，電機需要克服各種阻力（包括重物的重力和摩擦力等），屬于阻力負載。

重物下放時，由于重物本身具有按照重力加速度下降的能力（位能），因此，當重物的重力大于傳動機構的摩擦阻力時，重物本身的重力（位能）是下降的動力，電機成了能量的接受者，故屬于動力負載。

2、礦井絞車電機對驅動器的要求

①啟動轉矩大，調速特性好；

②過載能力強；

③低頻時能輸出較大轉矩，懸掛時不能溜車；

④下放時，電機有較大再生能量產生，要求能夠合理處理電機再生能量。

3、礦井絞車傳統控制系統缺點

①能耗大

礦井絞車傳統調速方式為繞線式電機轉子串電阻調速。這種控制系統大量的轉差功率消耗在轉子串接的電阻上（一般情況下可占總能耗的30%以上），造成大量電能浪費，從節能和經濟兩方面來講，都不可取。

②調速性能差

轉子串電阻調速方式屬于有級調速，其轉速的下降是通過轉子外接電阻消耗能量來實現的。最重要的是轉速越低，電機的機械特性越軟，輸出轉矩越小。且有級調速對電機和機械設備的沖擊大，設備運行不平穩，調速不連續，容易掉道，故障率高。對于煤礦24小時連續生產模式，經濟損失大。

③系統可靠性差

a接觸器頻繁分、合（接觸器在大電流情況下頻繁分、合），經常造成接觸器觸點的燒結和線圈燒毀。

b保護措施不完善，易發生電動機燒毀的現象。

c制動器承受比較大的沖擊，閘皮磨損嚴重，容易出現抱閘抱不緊，經常需檢修、更換。

④維護成本高

a接觸器、繞線式電機轉子電刷、滑環經常需要維護、更換，費用較大。

b減速機、制動器受沖擊大，經常需要維護。

c轉子串電阻調速方式本身的特點最終導致的生產效率受到限制（經常出故障處于停機、維修狀態）、維護工作量大、使用維修成本上升。

4、礦井絞車變頻回饋電控系統的優勢

①變頻器調速性能好，啟動轉矩大，機械特性硬、定位準確。

②變頻器運行平穩，對減速機、制動器的沖擊小，減小設備的維護量，延長提升機的使用壽命。

③使用變頻器后，無需再使用接觸器，同時繞線式電機也可以更改為鼠籠式電機使用，無需對電刷和滑環進行維護

④變頻器運行效率高，對電機和系統具有完善的保護、監測及自診斷功能，如再結合PLC控制，可大幅度提高礦井絞車電控系統的可靠性。

⑤能量回饋功能，能將電機的再生能量回饋到電網，大大節約電能。

三、IPC變頻回饋電控系統在礦井絞車節能改造上的應用(380V)

1、現場設備概況

帶式制動礦用提升絞車
項目	參數	備注
絞車型號	JT-1*0.8
電機型號	YR250S-6	1臺
電機額定功率	45kW
電機額定電壓	380V
電機定子額定電流	88A
電機額定頻率	50Hz
電機額定轉速	966r/min
抱閘型號	YWZ3-400/90
電機控制方式：繞線式電機轉子串電阻調速

 

2、根據礦井絞車設備的負載特性和控制要求，變頻回饋電控系統主要配置如下：
 

項目	參數	備注
系統變頻器	PH7-04-075NDC 75KW/165A/380V	1臺
系統能量回饋裝置	PFH55-4 額定電流：55A，峰值電流：80A	1臺
系統PLC	西門子S7-200 CPU224/AC/DC/繼電器 6ES7 214-1BD23-0XB8	1臺

 

3、礦井絞車變頻回饋節能改造系統

礦井絞車系統改造后對礦井絞車提升機構電機進行無級調速，大大提升了提升機構的控制性能，而且減小了對電機和機械部分的巨大沖擊。同時，能量回饋將提升電機再生能量回饋到電網，大大節約了電能，降低了現場設備工作的環境溫度，延長了電氣設備的使用壽命。 節能改造系統共有兩個控制柜，由變頻器、能量回饋裝置、PLC、接觸器等部分組成，其具體功能概述如下：

1、系統改造后提升電機的變頻回饋控制方式與原有的轉子串電阻工頻控制方式可以自由切換，兩種控制方式切換相互電氣聯鎖，保證系統工作的安全性。

2、系統改造后保留礦井絞車原有的操作方式和習慣，即保留原有的凸輪控制器的檔位控制和操作方式。這樣，既不會影響礦井絞車操作員的正常操作，又保證了礦井絞車特種設備檢驗合格。

3、提升機構的變頻回饋電控系統，具有短路、過電壓、過電流、缺相、過載、過溫等多種保護功能，最大限度的保護礦井絞車的提升機構。

4、系統采用變頻器驅動提升機構電機，當電機拖動位能性負載下放時，電動機將處于再生發電狀態。能量回饋裝置會將電機處于發電狀態下的再生能量回饋到電網，保證變頻系統正常工作，同時大大節約電能。

系統原理示意圖如下：

4、系統調試

① PLC程序及控制回路調試。 設備安裝結束后，控制回路上電，主回路不上電。進行控制回路和PLC程序調試，保證控制回路和PLC邏輯控制正確，各元器件動作正常。

② 變頻器調試。

a 將礦井絞車電機與減速機脫開，變頻器采用V/F控制方式空載運行，拖動電機，確保電機運行穩定，正常，變頻器輸出電壓、電流正常。

b 將礦井絞車電機與減速機脫開，變頻器采用無PG矢量控制方式，進行旋轉型自學習，獲得電機參數。然后采用無PG矢量控制方式空載運行，拖動電機，并調整相應參數保證電機運行穩定，變頻器輸出電壓、電流正常。

c 將絞車電機與減速機連接，變頻器采用無PG矢量控制方式，帶負載運行變頻器，保證電機運行穩定。

d 變頻器部分參數設置。
 

序號	參數	名稱	設定值	內容	備注
1	A1-02	選擇控制模式	2	無PG矢量控制
2	b1-01	選擇頻率指令	1	端子
3	b1-02	選擇運行指令	1	端子
4	b1-03	選擇停止方式	0	減速停止
5	C1-01	加速時間1	10S
6	C1-02	減速時間1	5S
7	C6-01	CT/VT選擇	0	CT(低載波恒力矩用途，150%1分鐘)
8	d1-02	頻率指令2	10HZ
9	d1-03	頻率指令3	23HZ
10	d1-04	頻率指令4	28HZ
11	d1-05	頻率指令5	33HZ
12	d1-06	頻率指令6	38HZ
13	d1-07	頻率指令7	45HZ
14	E1-01	設定輸入電壓	380V
15	E2-01	電機額定電流	88A
16	E2-02	電機額定滑差	2.75HZ
17	E2-03	電機空載電流	31.3A
18	E2-04	電機極數	6
19	E2-05	電機線間電阻	0.178Ω
20	E2-06	電機漏電阻	21.0%
21	E2-07	電機鐵芯飽和系數1	0.37
22	E2-08	電機鐵芯飽和系數2	0.63
23	E2-11	電機額定容量	45KW
24	H1-01	選擇端子S3的功能	3	多段速1
25	H1-02	選擇端子S4的功能	4	多段速2
26	H1-03	選擇端子S5的功能	5	多段速3
27	H1-04	選擇端子S6的功能	14	故障復位
28	T1-01	選擇自學習模式	0	旋轉型自學習
29	T1-02	電機輸出功率	45KW
30	T1-03	電機額定電壓	380V
31	T1-04	電機額定電流	88A
32	T1-05	電機基頻	50HZ
33	T1-06	電機極數	6
34	T1-07	電機額定轉速	966r/min

 

③ 能量回饋裝置調試。

進行礦井絞車空載下放和重載下放試驗，正確設定能量回饋裝置的回饋動作電壓值，保證變頻器和能量回饋系統正常工作。

④ 系統整體調試運行。

整個系統進行整體測試，保證礦井絞車空載提升和下放、重載提升和下放，各檔位速度符合要求，換擋正常，變頻器和能量回饋裝置運行正常。并進行工、變頻切換試驗，保證切換正常，工頻運行正常。

現場圖片

四、IPC變頻回饋電控系統在礦井絞車節能改造上應用的效果與客戶評價

系統實際運行證明，IPC變頻回饋電控系統在礦井絞車節能改造上的應用，不改變原有礦井絞車的操作方式，且原有的手剎基本可以不再使用，使操作簡化。系統運行穩定、可靠，調速性能優良，啟動轉矩和低頻轉矩輸出大；提升機構下放時，將電機再生發電狀態下多余的電能回饋到電網，大大節約電能?？蛻魧PC變頻回饋電控系統在礦井絞車節能改造上的使用效果非常滿意。 經過實際的計量，IPC變頻回饋電控系統相比原來的礦井絞車繞線式電機轉子串電阻調速方式，能夠節約電能高達28%以上。

五、結束語

IPC變頻回饋電控系統在礦井絞車節能改造上的應用，提高了礦山行業的提升絞車設備的自動化水平，加快了礦山行業的產業裝備升級。對提高礦山行業的產能，保證礦山行業安全生產都起到了非常積極的作用。

更為重要的是，礦井提升絞車設備屬于礦山大型設備，其能耗占整個礦山生產總能耗比重大，變頻回饋電控系統相比繞線式電機轉子串電阻調速系統，能夠大大的節約電能，真正的為礦山行業的生產降低成本，產生經濟效益。

六、參考文獻

1．《PH7起重專用變頻器用戶手冊》 深圳市合興加能科技有限公司

2．《PFH重型回饋裝置用戶手冊》 深圳市合興加能科技有限公司

3.《礦山機械與設備》 中國礦業大學出版社 謝錫純 李曉豁 主編

4.《礦山工程與設備技術》 冶金工業出版社 王榮祥 任效乾 主編

 

六盤水市騰慶煤業礦井絞車能量回饋技術方案（660V）
 

第一章 礦井絞車能量回饋應用案例

1、設備概況

礦井絞車主要參數如下：
 

井絞車
序號	項目	參數/規格	備注
1	電機額定功率	450kW	1臺
2	電機額定電壓	660VAC
3	變頻器功率	施耐德630KW/660vac
4	礦井長度	630米
5	礦井斜度	45度
6	絞車速度	3m/s
注：

 

2、再生能量的處理

當采用變頻器驅動提升機構電機，電機拖動位能性負載下放時，電機的實際轉速會很快超過它的同步轉速，這樣電動機將處于再生發電狀態。逆變器中的六個回饋二極管將傳動機構的機械能轉換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當直流回路電容電壓升到保護極限值后變頻器將過電壓跳閘。

在高性能的工程型變頻器中，對連續再生能量的處理有以下兩種方案。① 在中間直流回路設置電阻器，讓連續再生能量通過電阻器以發熱的形式消耗掉，這種方式稱為耗能制動；② 采用再生整流器方式，將連續再生能量送回電網，這種方式稱為回饋制動。下面對這兩種制動方式做以詳細介紹。

（1）耗能制動

耗能制動由制動單元和制動電阻構成。變頻器設置了制動單元和制動電阻后，其耗能制動能力取決于制動電阻的允許功率。因此，計算再生功率PM時，必須滿足PM

① 計算再生能量EM

② 計算再生功率PM

PM = EM/t0

式中PM——制動期間電機產生的有效再生功率，W

EM——機構急減速及下降時的再生能量，J

t0——制動周期時間，S

③ 選擇合適的制動單元/制動電阻組合 選擇合適的制動單元/制動電阻組合，必須滿足下列條件：

PM

式中 PM——制動期間電機產生的有效再生功率，W

PR——制動電阻的允許功率，W

PDB——制動單元的允許功率，W

當計算的PM>PR時，表明超出了制動電阻的處理能力，需重新核算負載慣量和減速時間。

④ 制動電阻RB0的計算

在再生回饋制動中，即使不設置制動電阻，依靠電機內部損耗也可獲得約20%的制動轉矩，因此可用下式計算所需的電阻值RB0： VC²

RB0 = —————————— 1.027（TB-0.2TM）n1

式中VC——變頻器中間直流回路的電壓（約為960V），V

TB——制動轉矩，kg·m

TM——電動機額定轉矩，kg·m

n1——電動機開始減速時的速度，rpm

耗能制動的放電回路由制動單元和制動電阻構成，其最大電流受制動晶體管最大允許電流IC的限制，制動電阻最小允許值RMIN=VC/IC。因此制動電阻選用時其實際值RB應滿足以下條件：

RMIN < RB < RB0

上述選型是建立在精確的計算基礎上，在實際工程中如果精確的計算數據不能取得，也可按下述給出的經驗公式選型。

①提升機構的再生功率PM

PM = Pb×ηtotal

ηtotal=ηmec×ηmot×0.98

上式中，Pb為實際的負載再生發電功率，ηmec為機械效率，ηmot為電機效率。

②制動電阻RB0的近似計算 VC² RB0 = —— PM

（2）回饋制動

為了實現制動狀態的電動機再生發電能量向電網回饋，網側變流器應采用可逆變流器。深圳市合興加能科技有限公司推出的IPC-PFH系列重載型能量回饋裝置，它的網側變流器與逆變器結構相同，采用一塊具有PWM控制方式的電網電壓識別板。由于采用了PWM控制技術，對網側交流電壓的大小和相位可以進行控制，可以使交流輸入電流與電網同相位并接近正弦波，系統的功率因數大于0.96，回饋制動時有97%電網回饋能力。

IPC-PFH系列能量回饋裝置可以把電機調速等過程中所產生的再生電能回饋到電網，避免了采用常規耗能式制動單元因電阻發熱而造成的能量損耗，從而達到理想的節能效果，實現高效運行。

3、選型配置

根據現場的工況參數，結合我公司關于礦井絞車設備的工程改造經驗，建議能量回饋裝置選型如下：
 

PC-PFH系列重載型能量回饋裝置
項目	參數	備注
型號	PFH-06-250-NDC
額定電壓	660VAC
額定電流	140A
峰值電流	220A
數量	2臺	2臺并聯使用

 

4、控制原理

礦井絞車提升機構配置能量回饋裝置的主電路原理圖如圖所示：

電能回饋裝置的輸入接變頻器的直流母線，電能回饋裝置的輸出直接接電網。PFH系列能量回饋裝置已經標配了電抗器和噪聲濾波器，不會對電網及周邊的電器設備造成干擾。

安裝PFH系列重載型能量回饋裝置后，預計節電率在20%-50%之間。

5、能量回饋裝置安裝使用操作流程

n 安裝

（1） 安裝之前必須先仔細閱讀用戶手冊、接線時參考上圖回饋裝置柜與礦井絞車變頻器控制柜的連接圖。

（2） 將提升機構總電源完全斷開。

（3） 接線時注意回饋單元直流輸入端正（+）、負（-）的極性，嚴禁極性接反。

（4） 注意回饋單元交流輸出端（AC-A、AC-B、AC-C）與電網側連接無極性要求，嚴禁與電機側連接。

n 送電

（1） 回饋裝置柜輸出端加裝了斷路器的情況下，先合上斷路器。

（2） 提升機構總電源送電，5～10秒回饋裝置柜面板顯示。

n 斷電

（1） 提升機構總電源斷電。

（2） 回饋裝置柜輸出端開關斷開。

n 注意事項

（1） 在不斷開回饋裝置柜的情況下嚴禁礦井絞車提升機構總電源開關連續送電，送電時需變頻器內部電壓完全放掉才給再次送電，這樣可以避免回饋裝置內部的熔斷器損壞。

（2） 在通電狀態下嚴禁直接斷開回饋裝置柜輸出端的斷路器。

第二章 IPC-PFH系列（660V）重載型能量回饋裝置產品介紹

IPC-PFH系列重載型能量回饋裝置是采用加拿大技術生產制造的高性能傳動節能產品，目前已經廣泛應用于港口、電梯、起重、礦山提升機、皮帶機、離心機、油田抽油機、風力并網發電等各種場合。

IPC-PFH系列重載型能量回饋裝置可以把電機調速等過程中所產生的再生電能回饋到電網，避免了采用常規能耗式制動單元因電阻發熱而造成的能量損耗，從而達到可觀的節能效果，也可以實現風力、太陽能等的并網發電。該系列產品內部已經安裝有電抗器和噪聲濾波器，可以直接接駁電網，不會對電網和周邊的電器設備造成干擾。

其主回路原理圖如下圖所示：

當礦井絞車采用變頻器驅動的提升機構拖動位能性負載下放或運行機構急減速、順風運行時，異步電動機將處于再生發電狀態。變頻器逆變部分將傳動機構的機械能轉換成電能回饋到變頻器中間直流回路，并引起儲能電容兩端電壓升高。通常情況下，為了保證變頻器系統的正常工作，會使用能耗電阻消耗這部分再生電能。但是由于電阻過熱，則會導致電阻及其引線燒斷，從而產生一系列安全問題，更重要的是造成了再生電能很大浪費。

應用PHF系列重載回饋裝置后，變頻器具有四象限運行功能，將電機產生的再生電能，通過一系列變換，以正弦波的形式返回至網，從而保證了系統的正常運行，且達到了節電的目的。

PFH系列重載回饋裝置特有的“全電壓自動跟蹤”和“零點電流”處理技術，提高回饋電流過零時電流質量，提高重載回饋穩定性和功率因數。PFH重載回饋裝置內置熔斷器，即使在輸出短路的情況下也不會損壞原來的控制系統。

IPC-PHF系列重載型能量回饋裝置技術規格：