专利名称：卷扬机变频操控方法及其变频操控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将变频器用于冶金、矿山、建筑等领域的卷扬机提升系统的方法，即卷扬机变频操控方法，以及为了实现这一方法所采用的变频操控系统。
背景技术：
现有的卷扬机系统的工作原理是通过改变电动机正反转来实现罐笼上升与下降，而卷扬速度的改变则靠改变串入绕线式电机转子的电阻来实现。这种方法的优点主要表现在机械抱闸制动方面。但是，这套系统的缺点是很明显地，主要表现在系统组成复杂，体积庞大、操作复杂、故障率较高。从实际系统中我们可以清楚地看到，各单元、各元件之间的连线达数百条；电阻器频繁烧毁，电机铜头、刷架、电刷等经常出现故障等。另外，由于控制系统繁琐，给检修维护带来很大困难，也是该系统的主要缺点之一。
另外，从系统运行情况看，原卷扬机系统为有级调速，动态速度变化不平稳、调速范围小，对罐难度很大，操作不易掌握，尤其是运行不稳增加了设备磨损。另一方面，当系统低速运行时，电机的转差率大，相应的转差功率完全转化为热量消耗掉。所以，该系统只是一种低效率、高消耗的调速装置。
众所周知，对于交流电机调速来说，改变电源电压、电源频率或电机的极对数均可改变电机转速。而对于原系统，电机极数和施加于定子侧的电源频率均不变，因此，电机的同步转速也不变，所谓调速，实际是通过串联电阻改变定子绕组上的电压，这就使电气传动的稳态调速精度大大降低；同时，由于串入电机转子回路的电阻阻值不能无级变化，所以无法实现平滑调速。
还有一点值得注意，就是原系统即使在再生能量回馈状态下仍然消耗大量的电网电能，例如，空罐上升时，电机处于发电状态，所产生的再生电能全部消耗在电阻上，并且由于系统处于制动状态，串入的电阻同样消耗大量的电能。这就是该系统的致命缺点之一。
原卷扬机系统组成包括卷扬机、罐笼、配重、主动电机、油泵站、液压机械抱闸装置、电源柜、加速控制柜、电阻柜、动力制动柜、操控台等。其中，液压机械抱闸装置在失电状态下处于完全抱紧(制动)状态(抱闸装置设有2对摩擦片，分别夹紧卷扬机的法兰盘，通常情况下由于弹簧作用而处于夹紧状态)。当电磁阀打开时，高压液体推动油缸，抵消弹簧的夹紧力，使摩擦减小，从而使抱闸的夹紧力减小，制动减弱。当高压油完全进入油缸而产生最大推动力时，抱闸完全释放，即系统处于自由状态。旋转操纵杆，控制自整角机(即旋转变压器)两轴的转角差，从而改变自整角机输出电压。此电压经整流后加在电磁阀上调节油路上电磁控制阀的开启程度，并由此控制抱闸力的大小。当操纵杆推到最大(约直流20V)时，抱闸完全放开(即盘闸处于自由状态)；当操纵杆推到某一位置(约DC7V)时，系统处于临界制动状态(此处20V和7V均为对原系统实测而得)。
通常，罐笼下降时不载重物(有时承载工具或工人)，而在提升罐笼时，罐笼装载物体(有时是空罐笼)。也就是说，配重上升时电机负载较大(空罐笼)，配重下降时电机负载较小(载重罐笼)。但有时配重下降时，所提升的罐笼也未装载重物，因此，电机处于很强的发电状态。卷扬机系统控制罐笼升降，在响应各中段信号后，还应准确对罐。因此，电机转速必须可调节、制动必须可靠、起动必须迅速平稳。而原系统除了制动外，其他各项均不理想。
再者，原系统采用的调速方式比较落后，整个电源、控制系统包括三个大型低压电器柜和一个电阻柜，控制相当复杂，发生故障的环节较多。况且，可控硅斩波环节本身的故障率就很高，增加了系统维护的压力。另外，控制系统复杂、检修困难、维修成本高、调速范围小、调速不平稳。从节能方面考虑，卷扬机系统属于恒转矩性质负载，罐笼低速运行时，电机转差功率大，而这些转差功率全部转化为热量消耗掉了。所以原调速方式属于低效率调速方式，能耗大，低速运行时能量消耗在电阻上；由于电机极对数与施加于其定子侧的电压频率都不变，所以电机的同步转速或理想空载转速也不变，这样电机的机械特性是一族通过理想空载转速点的特性，调速时机械特性随着转子回路电阻的增大而变软，大大降低了电气传动的稳态调速精度；由于串入电机转子回路的附加电阻级数(即不能无级变化)受限，无法实现平稳调速；空罐上升时电机处于发电状态，此时同样消耗能量。这些都是该系统存在的致命缺陷。
变频调速是目前交流异步电动机最理想的调速方式，它模拟直流电机的调速方法，并考虑了电动机动态性能要求，具有无级调速、响应迅速、运行平稳、控制灵活等特点，业已广泛应用于各个领域。然而，迄今为止，变频器在冶金、矿山等行业还没有开拓出应有的应用，尤其是矿井卷扬机提升设备的变频改造，此前全国尚无成功范例
发明内容
为了提高矿山卷扬机提升系统的技术水平和运行可靠性，提高设备效率，降低维修费用，本发明提出了一种将变频技术用于卷扬机提升系统的方法，即利用变频器驱动卷扬机电机，并且集中控制卷扬机液压报闸装置，从而使“控制”、“调速”、“制动”、“保护”等功能协调联动，完美统一。
本发明的方法是由变频器，泄放装置，操控台，综合控制逻辑电路和液压报闸装置实现对卷扬机电机的操控，其中变频器通过采用空间电压矢量随机PWM调制方法实现变压变频控制，从而实现对卷扬机电机的软起动和平滑调速；它还通过相应的综合控制逻辑电路实现故障保护、安全抱闸和参数设置；泄放装置则是通过实时采样变频器PN端电压、并经过比较运算和信号触发驱动来实现对回馈能量泄放的。
为了更好地实现上述目的，操控台设置了人机对话面板和人为干预(控制)点，通过键盘控制器完成对变频器的控制操作和参数设置；通过开关按钮实现对适度抱闸、紧急制动、非常制动等的操作；显示屏和指示灯实时显示运行速度、工作状态、故障信息和工作模式等；通过盘形电位器实现对电机的无级平滑调速控制；通过制动手柄实现对液压抱闸装置的操作。
开关电源给整个装置提供控制电源和驱动电源；“采样与处理”电路对变频器PN端电压实时监测，当其高于预置的阈值电压时，起动“信号与发生”电路，产生泄放控制信号；泄发信号经过“驱动电路”对其驱动电流放大后，用于控制IGBT的开关控制；驱动电路同时具有IGBT过流监测与保护作用。
本发明的变频操控系统包括操控台和液压抱闸制动装置，以及由变频器、泄放单元和泄放电阻组成的变频柜；其中泄放单元包括开关电源、电压采样与处理电路、脉冲信号发生与触发电路、保护与IGBT驱动电路及IGBT功率模块，该单元分别与变频器和泄放电阻连接；操控台与变频柜和液压抱闸装置相连接；综合控制逻辑电路将变频器控制输出信号与液压抱闸装置相连接；由泄放单元和泄放电阻组成的泄放装置与变频器相连。
本发明的“卷扬机变频操控系统”由变频柜、泄放单元、泄放电阻、操控台等组成，整套系统体积小、重量轻、操作使用方便可靠，并且完全沿用矿山设备的操作习惯。事实上，单从系统外观上看，新系统比原系统就有很大的优越性原系统共有四个电控柜或电阻柜和一个操控台，而“卷扬机变频操控系统”只有一个变频控制柜和一个操控台。其中泄放单元和泄放电阻的作用主要是泄放电机所产生的再生能量。变频系统本身带有软制动，尤其在安全性方面采取了多重保护，在软制动(泄放制动)基础上将原系统使用的液压抱闸装置作为主要制动手段，并对其进行自动抱闸、适度抱闸和完全抱闸等操作，使系统在工作的全过程均有安全保障。
操控台使用工频220V电压，并与变频柜和液压抱闸装置相连接，用来控制变频器输出、液压抱闸装置和各种状态指示、速度指示、故障信息指示；综合控制逻辑电路是将变频器故障信号与液压抱闸装置相连接，从而实现当变频器发生故障或进入保护状态时自动启动抱闸装置，同时，它还可在电机处于发电状态时启动“适度抱闸”电路，从而减轻泄放压力；泄放装置与变频器相连，使得电机处于发电状态时，将所产生的回馈能量泄放掉，从而保护变频器和电机。
开关电源给整个装置提供控制电源和驱动电源；“采样与处理”电路对变频器PN端电压实时监测，当其高于预置的阈值电压时，起动“信号与发生”电路，产生泄放控制信号；泄发信号经过“驱动电路”对其驱动电流放大后，用于控制IGBT的开关控制；驱动电路同时具有IGBT过流监测与保护作用。
变频调速器是通过改变电动机输入电源的频率来调节电机转速的，因此调速范围很宽，可以达到0～400HZ。频率调节精度为0.01HZ，基本上实现了无级调速。所以，采用变频器后，电机可以实现真正意义上的软启动和平滑调速。并且，变频器提高了输入电源的功率因数，在基频以下为恒转矩输出，输出功率随转速变化，因此具有很好的节电效果。另一方面，变频器还可通过软件，很方便地改变输出转矩(即调整转矩补偿曲线)和加减速时间、目标频率、上下限频率等。它还具有强大的兼容功能，通过微型键盘终端调用内部功能，并根据使用要求进行功能组合、参数设置(修改)和动态调速。通常，变频器可通过键盘操作，也可通过端子排控制，还可通过PLC进行多段速度控制。外控信号可以是电压，也可以是电流，还可通过编码器进行数字控制。
卷扬机变频操控系统采用交流电机变频调速器作为调速单元，操控台重新设计(操作方式保持原习惯)，终极制动仍沿用原系统的盘闸制动。整个系统简洁明了、连接方便，可控性非常好。
此外，本发明还具有以下特点
1、实现了电动机的软启动。
2、实现了无级平滑调速，可在静态或动态任意调整电机转速。
3、运行平稳，无转差冲击，延长了机械系统的使用寿命。
4、响应迅速，控制灵活，便于实现集中控制和系统集成。
5、集信号处理、运行控制、电子制动、机械制动、安全保护为一体，提高了设备的整体功能。
6、操作直观简便，驾驭轻松自如。
7、节能率高。
图1是本发明的原理图。图2是本发明中泄放单元的电路图。
具体实施方式
如图1所示，操控台1用工频220V电压，并与变频柜和液压抱闸装置3连接，用来控制变频器输出、液压抱闸装置3和各种状态指示、速度指示、故障信息指示；综合控制逻辑电路2是将变频器故障信号与液压抱闸装置3相连接，从而实现当变频器发生故障或进入保护状态时自动启动抱闸装置，同时，它还可在电机处于发电状态时启动“适度抱闸”电路，从而减轻泄放压力；泄放装置4与变频器相连，使得电机处于发电状态时，将所产生的回馈能量泄放掉，从而包好变频器和电机。
如图2所示，开关电源给整个装置提供控制电源和驱动电源；电压采样与处理电路7对变频器PN端电压实时监测，当其高于预置的阈值电压时，起动脉冲信号发生与触发电路6，产生泄放控制信号；泄放信号经过保护与IGBT驱动电路5对其驱动电流放大后，用于控制IGBT的开关控制；保护与IGBT驱动电路5同时具有IGBT过流监测与保护作用。
1. 泄放阻尼控制电路
泄放单元的电路如图2所示，P、N是变频器直流母线电压，取自变频器外接端子，当电机处于发电状态，P、N两端之间电压必定升高，当高于某一设定值时，IC1B输出低电平，控制泄放单元工作；VR3设置电压比VR2设置电压高一档次，当PN端电压特别高(有可能泄放单元消耗能量不足于抵消发电能量，PN端电压继续升高)，高于某一值时，IC1A的1脚输出低电平，光耦PC2关断，泄放单元不再工作，从而保护泄放单元(此种情况下变频器跳“OE”保护)。也就是说V1≤Vi≤V2时，T1的E脚为低电平，PC1、T1导通。在原来回路中串入光耦PC5、PC6，PC5、PC6导通，分别控制操控台泄放指示灯和液压系统自动适度抱闸。PC1导通时，U1A(4093)的XF信号变为高电平，与“555”产生的振荡信号“与非”后驱动功率模块间歇导通，以避免泄放模块因连续工作发热而烧毁。
2. 开关电源电路
采用开关电源的优点是增大了交流输入电压范围、提高了直流输出的稳定性、减小了重量和体积。所用开关电源的电路模式为斩波方式降压型单端反激式变换器，拓扑结构简单、技术成熟、性能可靠。
该电路的核心为一块UC3842型单片集成脉宽调制器，它是一种单端输出电流控制型电路。其最大的优点就是外接元件极少，外电路装配简单，因而在小功率开关电源中应用极为广泛。
开关电源为典型的单端反激变换式电路，交流工频电源电压经全波整流、RC滤波作为主直流电源电压。在这种电路中，开关元件要承受两倍的输入直流电压峰值，因而开关管(此处用VMOS场效应管)的耐压要大于700V/1200V(分别对应于交流200V输入和交流380V输入)。用VMOS开关管时其工作频率最高可达250kHz左右。当然，工程实际使用中由于栅控器件和工艺等影响，开关频率一般不超过120KHZ。
UC3842的供电电压一般在10～30V之间，当供电电压低于16V时，整个电路的电流仅约1mA。这样，从输入直流高压通过电阻(130KΩ/1W)降压供电即可。当电路启动后，高频变压器反馈绕组输出自给电压，经整流(FR157)、滤波后即可实现自馈供电，因而省去了辅助电源，使电源电路大大简化。
电路的振荡频率由UC3842的外接RC元件的时间常数确定。RT(此处采用2.4KΩ)接在(8)、(4)脚之间，CT(0.001μF)接在(4)、(5)脚之间。则振荡频率
f≈1.8/RT CT＝1.8/(2.4×0.001)＝75KHz
3.“空罐下配重”过程分析及泄放模块选择
根据理论分析，卷扬机系统的难点在于“空罐下配重”过程。此时，相当于重物的自由落体，重力加速度的影响是至关重要的。
配重约为1.2T，罐笼自重约为0.4T，重量差高达0.8T。假设矿井深度为300m，则其势能约为
E＝mgh＝800×9.8×300＝2352000(J)
最大速度，即达到井底时的速度(假设无任何阻力)为
设50HZ时电机的转速为580rpm(十级电机)，系统的减速比为1∶4，卷扬机卷轴半径为0.4m。那么，在配重自由落体到井底时卷轴的角速度为
ω1＝/76.7/r＝192rad/s
换算为电机输出频率应为
f＝ω1×4/2π＝122HZ
换算为电机转速为
n＝60×ω1/2π＝1832转/分
可见，此时电机处于超强发电状态。
设配重自由下落到卷轴线速度为v时，刚好等于电机的额定输出频率(50HZ)。则有
V＝580×(2πr)/(4×60)＝6.07(m/s)
此时下降距离为
S＝1/2×v2/g＝1.9m
即配重自由下落约2m时恰与电机的额定频率相平衡。以该速度将配重下到井底约需50秒，平均发电功率为
Pλ＝2352000/50＝47KW注1
平均泄放电流(设泄放电压为740V)约为
Iλ＝47000/740≈64(A)
因此，本系统的泄放装置容量，即泄放模块额定电流应选择
Ia＞64×3＝200(A)4.电力电子功率器件选择
变频器中功率器件选用IGBT(绝缘栅场效应晶体管)，IGBT综合了MOS场效应管(MOSFET)和双极晶体管(BJT)的特点，即控制极输入阻抗高，是场控器件，这一点是MOSFET的特点，可以采用微电子TTL、COMS电路直接驱动或采用集成驱动模块驱动，驱动简单，保护容易；另外，IGBT的输出特性中饱和压降低，这一点是BJT的特点。模块本身功耗低，开关频率高。因此，注11KW·h＝3.6×106J。卷扬机变频操控系统设计采用IGBT作为功率开关器件。
5.测试试验
①试验数据
表中只列出了罐笼下降和罐笼上升两个过程中变频器的输入输出电流，用于对比分析。其他环节实验数据此处略。
②结果分析
从以上试验结果来看(1)空罐上升(空罐下配重)期间变频器输入电流几乎为零，此期间系统不消耗电网能量；输出电流不为零，此电流为电机发电电流倒灌入变频器。(2)重罐下降期间变频器输入电流只有2～3A左右，此时重罐重量同配重重量相近，几乎不消耗能量。(3)在同一运行过程中，低频(低速)时变频器输入电流小，高频(高速)时变频器输入电流大。说明低速运行时可达到节电目的。
综合以上所述，采用卷扬机变频操控系统后，在电机处于发电状态时，系统反馈能量可通过泄放单元泄放掉。总之，在工作全过程，系统或者不消耗电能，或者节能运行，平均节电率实测可达45％以上。
权利要求
1、一种卷扬机变频操控方法，其特征是由变频器，泄放装置(4)，操控台(1)，综合控制逻辑电路(2)和液压报闸装置(3)实现对卷扬机电机的操控，其中变频器通过采用空间电压矢量随机PWM调制方法实现变压变频控制，从而实现对卷扬机电机的软起动和平滑调速；它还通过相应的综合控制逻辑电路实现故障保护、安全抱闸和参数设置；泄放装置则是通过实时采样变频器PN端电压、并经过比较运算和信号触发驱动来实现对回馈能量泄放的。
2、根据权利要求1所述的卷扬机变频操控方法，其特征是操控台(1)设置了人机对话面板和入为干预(控制)点，通过键盘控制器完成对变频器的控制操作和参数设置；通过开关按钮实现对适度抱闸、紧急制动、非常制动等的操作；显示屏和指示灯实时显示运行速度、工作状态、故障信息和工作模式等；通过盘形电位器实现对电机的无级平滑调速控制；通过制动手柄实现对液压抱闸装置(3)的操作。
3、根据权利要求1或2所述的卷扬机变频操控方法，其特征是开关电源给整个装置提供控制电源和驱动电源；“采样与处理”电路对变频器PN端电压实时监测，当其高于预置的阈值电压时，起动“信号与发生”电路，产生泄放 控制信号；泄发信号经过“驱动电路”对其驱动电流放大后，用于控制IGBT的开关；驱动电路同时具有IGBT过流监测与保护作用。
4、根据权利要求1或2所述的卷扬机变频操控方法的操控系统，其特征是包括操控台(1)和液压抱闸装置(3)，以及由变频器、泄放单元和泄放电阻组成的变频柜；其中泄放单元包括开关电源、电压采样与处理电路(7)、脉冲信号发生与触发电路(6)、保护与IGBT驱动电路(5)及IGBT功率模块，该单元分别与变频器和泄放电阻连接；操控台(1)与变频柜和液压抱闸装置(3)相连接；综合控制逻辑电路(2)将变频器控制输出信号与液压抱闸装置(3)相连接；由泄放单元和泄放电阻组成的泄放装置(4)与变频器相连。
5、根据权利要求3所述的卷扬机变频操控方法的操控系统，其特征是包括操控台(1)和液压抱闸装置(3)，以及由变频器、泄放单元和泄放电阻组成的变频柜；其中泄放单元包括开关电源、电压采样与处理电路(7)、脉冲信号发生与触发电路(6)、保护与IGBT驱动电路(5)及IGBT功率模块，该单元分别与变频器和泄放电阻连接；操控台(1)与变频柜和液压抱闸装置(3)相连接；综合控制逻辑电路(2)将变频器控制输出信号与液压抱闸装置(3)相连接；由泄放单元和泄放电阻组成的泄放装置(4)与变频器相连。
全文摘要
本发明是一种卷扬机变频操控方法及其变频操控系统。变频器通过采用空间电压矢量随机PWM，调制方法实现变压变频控制，从而实现对卷扬机电机的软起动和平滑调速；它还通过相应的综合控制逻辑电路实现故障保护、安全抱闸和参数设置；泄放装置则是通过实时采样变频器PN端电压、并经过比较运算和信号触发驱动来实现对回馈能量泄放的。本发明实现了电动机的软启动，实现了无级平滑调速，可在静态或动态任意调整电机转速。运行平稳，无转差冲击，延长了机械系统的使用寿命。平均节电率实测可达45％以上。
文档编号B66B1/06GK1418804SQ02155420
公开日2003年5月21日 申请日期2002年12月13日 优先权日2002年12月13日
发明者林海光 申请人:烟台惠丰电子有限公司