深圳市合兴加能科技有限公司 杨 维

Shenzhen Hexing IPC Technology CO.,LTD Yangwei

摘要：本文主要介绍了IPC起重行业变频回馈电控系统在矿井绞车上的应用。变频回馈电控系统是对矿井绞车提升机构原有的绕线式电机转子串电阻调速控制方式进行升级改造的电气系统，采用加能公司PH7系列起重专用变频器对提升电机进行变频控制，同时采用加能公司PFH重型回馈装置将提升电机再生发电状态下产生的再生能量回馈到电网。

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.

关键词：PH7起重专用变频器 PFH重型回馈装置 矿井绞车改造系统

Key words:

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

一、引言

矿井提升是采矿生产过程中的重要环节，井下各工作面采掘下来的矿石或煤，由运输设备经井下巷道运到井底车场，然后再由提升设备提至地面。人员的升降，材料、设备的输送都需要通过提升设备来完成。它是矿山井下生产系统和地面工业广场相联接的枢纽，用“矿井的咽喉”形象的描述了矿井提升的重要作用，十分恰当。矿井提升机或矿井绞车作为矿井提升设备中应用最多的设备，对其可靠性、安全性、经济性要求都很高。加能公司起重行业变频回馈电控系统已成功地用在郴州市怡鑫实业有限公司宜章县长策银矿矿井绞车的改造上，本文将详细介绍其应用情况。

二、矿井绞车电气传动要求

1． 矿井绞车负载特性

重物上升时，电机需要克服各种阻力（包括重物的重力和摩擦力等），属于阻力负载。

重物下放时，由于重物本身具有按照重力加速度下降的能力（位能），因此，当重物的重力大于传动机构的摩擦阻力时，重物本身的重力（位能）是下降的动力，电机成了能量的接受者，故属于动力负载。

2、矿井绞车电机对驱动器的要求

①启动转矩大，调速特性好；

②过载能力强；

③低频时能输出较大转矩，悬挂时不能溜车；

④下放时，电机有较大再生能量产生，要求能够合理处理电机再生能量。

3、矿井绞车传统控制系统缺点

①能耗大

矿井绞车传统调速方式为绕线式电机转子串电阻调速。这种控制系统大量的转差功率消耗在转子串接的电阻上（一般情况下可占总能耗的30%以上），造成大量电能浪费，从节能和经济两方面来讲，都不可取。

②调速性能差

转子串电阻调速方式属于有级调速，其转速的下降是通过转子外接电阻消耗能量来实现的。最重要的是转速越低，电机的机械特性越软，输出转矩越小。且有级调速对电机和机械设备的冲击大，设备运行不平稳，调速不连续，容易掉道，故障率高。对于煤矿24小时连续生产模式，经济损失大。

③系统可靠性差

a接触器频繁分、合（接触器在大电流情况下频繁分、合），经常造成接触器触点的烧结和线圈烧毁。

b保护措施不完善，易发生电动机烧毁的现象。

c制动器承受比较大的冲击，闸皮磨损严重，容易出现抱闸抱不紧，经常需检修、更换。

④维护成本高

a接触器、绕线式电机转子电刷、滑环经常需要维护、更换，费用较大。

b减速机、制动器受冲击大，经常需要维护。

c转子串电阻调速方式本身的特点最终导致的生产效率受到限制（经常出故障处于停机、维修状态）、维护工作量大、使用维修成本上升。

4、矿井绞车变频回馈电控系统的优势

①变频器调速性能好，启动转矩大，机械特性硬、定位准确。

②变频器运行平稳，对减速机、制动器的冲击小，减小设备的维护量，延长提升机的使用寿命。

③使用变频器后，无需再使用接触器，同时绕线式电机也可以更改为鼠笼式电机使用，无需对电刷和滑环进行维护

④变频器运行效率高，对电机和系统具有完善的保护、监测及自诊断功能，如再结合PLC控制，可大幅度提高矿井绞车电控系统的可靠性。

⑤能量回馈功能，能将电机的再生能量回馈到电网，大大节约电能。

三、IPC变频回馈电控系统在矿井绞车节能改造上的应用(380V)

1、现场设备概况

2、根据矿井绞车设备的负载特性和控制要求，变频回馈电控系统主要配置如下：
 

3、矿井绞车变频回馈节能改造系统

矿井绞车系统改造后对矿井绞车提升机构电机进行无级调速，大大提升了提升机构的控制性能，而且减小了对电机和机械部分的巨大冲击。同时，能量回馈将提升电机再生能量回馈到电网，大大节约了电能，降低了现场设备工作的环境温度，延长了电气设备的使用寿命。 节能改造系统共有两个控制柜，由变频器、能量回馈装置、PLC、接触器等部分组成，其具体功能概述如下：

1、系统改造后提升电机的变频回馈控制方式与原有的转子串电阻工频控制方式可以自由切换，两种控制方式切换相互电气联锁，保证系统工作的安全性。

2、系统改造后保留矿井绞车原有的操作方式和习惯，即保留原有的凸轮控制器的档位控制和操作方式。这样，既不会影响矿井绞车操作员的正常操作，又保证了矿井绞车特种设备检验合格。

3、提升机构的变频回馈电控系统，具有短路、过电压、过电流、缺相、过载、过温等多种保护功能，最大限度的保护矿井绞车的提升机构。

4、系统采用变频器驱动提升机构电机，当电机拖动位能性负载下放时，电动机将处于再生发电状态。能量回馈装置会将电机处于发电状态下的再生能量回馈到电网，保证变频系统正常工作，同时大大节约电能。

系统原理示意图如下：

4、系统调试

① PLC程序及控制回路调试。 设备安装结束后，控制回路上电，主回路不上电。进行控制回路和PLC程序调试，保证控制回路和PLC逻辑控制正确，各元器件动作正常。

② 变频器调试。

a 将矿井绞车电机与减速机脱开，变频器采用V/F控制方式空载运行，拖动电机，确保电机运行稳定，正常，变频器输出电压、电流正常。

b 将矿井绞车电机与减速机脱开，变频器采用无PG矢量控制方式，进行旋转型自学习，获得电机参数。然后采用无PG矢量控制方式空载运行，拖动电机，并调整相应参数保证电机运行稳定，变频器输出电压、电流正常。

c 将绞车电机与减速机连接，变频器采用无PG矢量控制方式，带负载运行变频器，保证电机运行稳定。

d 变频器部分参数设置。
 

③ 能量回馈装置调试。

进行矿井绞车空载下放和重载下放试验，正确设定能量回馈装置的回馈动作电压值，保证变频器和能量回馈系统正常工作。

④ 系统整体调试运行。

整个系统进行整体测试，保证矿井绞车空载提升和下放、重载提升和下放，各档位速度符合要求，换挡正常，变频器和能量回馈装置运行正常。并进行工、变频切换试验，保证切换正常，工频运行正常。

现场图片

四、IPC变频回馈电控系统在矿井绞车节能改造上应用的效果与客户评价

系统实际运行证明，IPC变频回馈电控系统在矿井绞车节能改造上的应用，不改变原有矿井绞车的操作方式，且原有的手刹基本可以不再使用，使操作简化。系统运行稳定、可靠，调速性能优良，启动转矩和低频转矩输出大；提升机构下放时，将电机再生发电状态下多余的电能回馈到电网，大大节约电能。客户对IPC变频回馈电控系统在矿井绞车节能改造上的使用效果非常满意。 经过实际的计量，IPC变频回馈电控系统相比原来的矿井绞车绕线式电机转子串电阻调速方式，能够节约电能高达28%以上。

五、结束语

IPC变频回馈电控系统在矿井绞车节能改造上的应用，提高了矿山行业的提升绞车设备的自动化水平，加快了矿山行业的产业装备升级。对提高矿山行业的产能，保证矿山行业安全生产都起到了非常积极的作用。

更为重要的是，矿井提升绞车设备属于矿山大型设备，其能耗占整个矿山生产总能耗比重大，变频回馈电控系统相比绕线式电机转子串电阻调速系统，能够大大的节约电能，真正的为矿山行业的生产降低成本，产生经济效益。

六、参考文献

1．《PH7起重专用变频器用户手册》 深圳市合兴加能科技有限公司

2．《PFH重型回馈装置用户手册》 深圳市合兴加能科技有限公司

3.《矿山机械与设备》 中国矿业大学出版社 谢锡纯 李晓豁 主编

4.《矿山工程与设备技术》 冶金工业出版社 王荣祥 任效乾 主编

六盘水市腾庆煤业矿井绞车能量回馈技术方案（660V）
 

第一章 矿井绞车能量回馈应用案例

1、设备概况

矿井绞车主要参数如下：
 

2、再生能量的处理

当采用变频器驱动提升机构电机，电机拖动位能性负载下放时，电机的实际转速会很快超过它的同步转速，这样电动机将处于再生发电状态。逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要的措施，当直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。

在高性能的工程型变频器中，对连续再生能量的处理有以下两种方案。① 在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，这种方式称为耗能制动；② 采用再生整流器方式，将连续再生能量送回电网，这种方式称为回馈制动。下面对这两种制动方式做以详细介绍。

（1）耗能制动

耗能制动由制动单元和制动电阻构成。变频器设置了制动单元和制动电阻后，其耗能制动能力取决于制动电阻的允许功率。因此，计算再生功率PM时，必须满足PM

① 计算再生能量EM

② 计算再生功率PM

PM = EM/t0

式中PM——制动期间电机产生的有效再生功率，W

EM——机构急减速及下降时的再生能量，J

t0——制动周期时间，S

③ 选择合适的制动单元/制动电阻组合 选择合适的制动单元/制动电阻组合，必须满足下列条件：

PM

式中 PM——制动期间电机产生的有效再生功率，W

PR——制动电阻的允许功率，W

PDB——制动单元的允许功率，W

当计算的PM>PR时，表明超出了制动电阻的处理能力，需重新核算负载惯量和减速时间。

④ 制动电阻RB0的计算

在再生回馈制动中，即使不设置制动电阻，依靠电机内部损耗也可获得约20%的制动转矩，因此可用下式计算所需的电阻值RB0： VC²

RB0 = —————————— 1.027（TB-0.2TM）n1

式中VC——变频器中间直流回路的电压（约为960V），V

TB——制动转矩，kg·m

TM——电动机额定转矩，kg·m

n1——电动机开始减速时的速度，rpm

耗能制动的放电回路由制动单元和制动电阻构成，其最大电流受制动晶体管最大允许电流IC的限制，制动电阻最小允许值RMIN=VC/IC。因此制动电阻选用时其实际值RB应满足以下条件：

RMIN < RB < RB0

上述选型是建立在精确的计算基础上，在实际工程中如果精确的计算数据不能取得，也可按下述给出的经验公式选型。

①提升机构的再生功率PM

PM = Pb×ηtotal

ηtotal=ηmec×ηmot×0.98

上式中，Pb为实际的负载再生发电功率，ηmec为机械效率，ηmot为电机效率。

②制动电阻RB0的近似计算 VC² RB0 = —— PM

（2）回馈制动

为了实现制动状态的电动机再生发电能量向电网回馈，网侧变流器应采用可逆变流器。深圳市合兴加能科技有限公司推出的IPC-PFH系列重载型能量回馈装置，它的网侧变流器与逆变器结构相同，采用一块具有PWM控制方式的电网电压识别板。由于采用了PWM控制技术，对网侧交流电压的大小和相位可以进行控制，可以使交流输入电流与电网同相位并接近正弦波，系统的功率因数大于0.96，回馈制动时有97%电网回馈能力。

IPC-PFH系列能量回馈装置可以把电机调速等过程中所产生的再生电能回馈到电网，避免了采用常规耗能式制动单元因电阻发热而造成的能量损耗，从而达到理想的节能效果，实现高效运行。

3、选型配置

根据现场的工况参数，结合我公司关于矿井绞车设备的工程改造经验，建议能量回馈装置选型如下：
 

4、控制原理

矿井绞车提升机构配置能量回馈装置的主电路原理图如图所示：

电能回馈装置的输入接变频器的直流母线，电能回馈装置的输出直接接电网。PFH系列能量回馈装置已经标配了电抗器和噪声滤波器，不会对电网及周边的电器设备造成干扰。

安装PFH系列重载型能量回馈装置后，预计节电率在20%-50%之间。

5、能量回馈装置安装使用操作流程

n 安装

（1） 安装之前必须先仔细阅读用户手册、接线时参考上图回馈装置柜与矿井绞车变频器控制柜的连接图。

（2） 将提升机构总电源完全断开。

（3） 接线时注意回馈单元直流输入端正（+）、负（-）的极性，严禁极性接反。

（4） 注意回馈单元交流输出端（AC-A、AC-B、AC-C）与电网侧连接无极性要求，严禁与电机侧连接。

n 送电

（1） 回馈装置柜输出端加装了断路器的情况下，先合上断路器。

（2） 提升机构总电源送电，5～10秒回馈装置柜面板显示。

n 断电

（1） 提升机构总电源断电。

（2） 回馈装置柜输出端开关断开。

n 注意事项

（1） 在不断开回馈装置柜的情况下严禁矿井绞车提升机构总电源开关连续送电，送电时需变频器内部电压完全放掉才给再次送电，这样可以避免回馈装置内部的熔断器损坏。

（2） 在通电状态下严禁直接断开回馈装置柜输出端的断路器。

第二章 IPC-PFH系列（660V）重载型能量回馈装置产品介绍

IPC-PFH系列重载型能量回馈装置是采用加拿大技术生产制造的高性能传动节能产品，目前已经广泛应用于港口、电梯、起重、矿山提升机、皮带机、离心机、油田抽油机、风力并网发电等各种场合。

IPC-PFH系列重载型能量回馈装置可以把电机调速等过程中所产生的再生电能回馈到电网，避免了采用常规能耗式制动单元因电阻发热而造成的能量损耗，从而达到可观的节能效果，也可以实现风力、太阳能等的并网发电。该系列产品内部已经安装有电抗器和噪声滤波器，可以直接接驳电网，不会对电网和周边的电器设备造成干扰。

其主回路原理图如下图所示：

当矿井绞车采用变频器驱动的提升机构拖动位能性负载下放或运行机构急减速、顺风运行时，异步电动机将处于再生发电状态。变频器逆变部分将传动机构的机械能转换成电能回馈到变频器中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。通常情况下，为了保证变频器系统的正常工作，会使用能耗电阻消耗这部分再生电能。但是由于电阻过热，则会导致电阻及其引线烧断，从而产生一系列安全问题，更重要的是造成了再生电能很大浪费。

应用PHF系列重载回馈装置后，变频器具有四象限运行功能，将电机产生的再生电能，通过一系列变换，以正弦波的形式返回至网，从而保证了系统的正常运行，且达到了节电的目的。

PFH系列重载回馈装置特有的“全电压自动跟踪”和“零点电流”处理技术，提高回馈电流过零时电流质量，提高重载回馈稳定性和功率因数。PFH重载回馈装置内置熔断器，即使在输出短路的情况下也不会损坏原来的控制系统。

IPC-PHF系列重载型能量回馈装置技术规格：