CN2515869Y - 提升机智能化调频调速拖动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于提升机械拖动技术。提出提升机智能化调频调速拖动装置,主要包括数字化低频电源供电电路,变频器电路,变频器制动单元电路,高压真空换向器电路和“S”化频率给定环节;变频器制动单元电路由制动单元DB1并接电阻R组成,由高压真空换向器XLP、DZP组成高压真空换向器电路,变频器输出的低频电流信号通过高压真空换向器DZP通入主拖动电动机中;“S”化频率给定环节由电子模块AP1、测速机TG、减速信号继电器KA3、直流电源TS1组成。本实用新型能够很好地满足大型矿井提升机、大型凿井提升机、大型水坝过坝升船机等提升机械的特殊工艺要求,解决现有拖动装置存在的问题。

Description

提升机智能化调频调速拖动装置

(一)技术领域：

本实用新型属于提升机械拖动技术，主要提出一种提升机智能化调频调速拖动装置，在大型矿井提升机、大型凿井提升机、大型水坝过坝升船机以及其他大型提升类机械中，作为专门的电气调速及控制设备之用。

(二)背景技术：

由交流绕线式电动机作为主拖动的大型矿井提升机、大型凿并提升机、大型水坝过坝升船机等，其调速过程是通过切除电动机的转子外加电阻而进行调速的，由于该类提升机械的提升距离有限，所以必须在一定的距离内按预定的速度图进行减速并以较低的速度稳速运行到停车位置。通常的作法是在减速瞬间将主电源切除，略经延时后通入直流电或频率较低的电流信号进行减速及爬行。现有所采用的技术是：

1、调节电流大小的直流电源，在提升机的减速过程中通入电动机，进行能耗制动减速，在这期间，将能量消耗在转子的外加电阻上，减速以后，定子重新通入交流电，进行脉动爬行到停车位置。这种方式具有以下缺点：1)能耗制动浪费能源；2)调速性能差，由于矿井提升机负载情况变化大，尽管制动电流大小可以调节，但是，实际速度无法准确地跟随预定的速度图；3)安全性差，由于第二条的原因以及直流电流通入绕线式电动机以后无法获得电动力矩，从而无法使主拖动电动机获得平稳的爬行速度，因此，提升机容易出现超速、过卷等事故。

2、固定频率的低频电源装置，这种装置控制方式有两种，一种是采用分立元件构成模拟量调节，另一种采用单片机构成的所谓“数字化”调节，这些低频电源装置具有以下缺点：1)硬件构成复杂，软件成分没有或少，故障率高；2)抗干扰能力差，容易受到电源干扰、环境的电磁干扰以及温度、湿度的影响，运行稳定性差；3)由于在运行过程中只能输出固定频率的电流信号，同样对负载的适应性差，实际速度无法跟随预定的速度图，造成减速距离及爬行距离时长时短，影响提升机的运行效率；4)众所周知，通过变频形成的低频电压是由许多方波电压按一定的幅值与顺序排列组成，如果变频调制的频率越高，形成的谐波分量就小，反之就越大，由于这种低频电源方波的调制频率一般在1-5Hz，所以谐波分量较大，这种谐波对电网造成公害，并且对低频装置本身以及周边的电子设备造成干扰；5)零速启动的力矩较小，重载情况下，无法启动并慢速运行。

3、以上两种电源是通过CG5型空气式高压换向器通入主拖动电动机，这种空气式高压换向器具有在通断瞬间产生电弧、噪音大、体积大、维护量大、耐压低等缺点。

(三)发明内容：

本实用新型就是提供一种提升机智能化调频调速拖动装置，作为减速及低速爬行过程的控制设备，能够很好地满足大型矿井提升机、大型凿井提升机、大型水坝过坝升船机等提升机械的特殊工艺要求，解决现有拖动装置存在的问题。

本实用新型完成其发明任务所采取的技术方案是：主要包括对380V交流电升压的数字化低频电源供电电路，将50HZ工频交流电变成连续可调低频信号的变频器电路；变频器制动单元电路，高压真空换向器电路和“S”化频率给定环节；主要由电源接触器KM1、快速熔断器FU1-3和变压器B1组成数字化低频电源供电电路，接380V交流电源的电源接触器KM1通过快速熔断器FU1-3接入升压变压器B1的原边；供电电路的输出接变频器UF1的三相电源输入端子R、S、T；变频器制动单元电路由制动单元DB1并接电阻R组成，制动单元DB1连接到变频器UF1的+、-端子，用以对+、-端子的电平进行检测；由两台高压真空换向器XLP、DZP组成高压真空换向器电路，在两台换向器之间具有机械闭锁结构；变频器输出的低频电流信号通过高压真空换向器DZP通入主拖动电动机中；“S”化频率给定环节由电子模块AP1、测速机TG、减速信号继电器KA3、直流电源TS1组成；测速机TG安装在提升机上用以检测提升机速度，其输出电压与电子模块AP1连接，为电子模块AP1给定信号提供一个频率起始值；电子模块AP1的输出端子接自变频器UF1的端子，作为变频器的频率给定信号。

电子模块AP1包括分压电路、绝对值器、“S”化环节；分压电路由电阻R1、R2，电位器W1、电容器C7组成；绝对值器由运算放大器U1a、U1b、二极管D1、D2，电阻R9-17、电容器C11、C12组成，“S”化环节由运算放大器U1a、U1b、U2d、电阻R18-27，电位器W6、电容器C13组成；其中U1c、R18-20组成比例器，U1d、R21-23组成的反相器，U2d、R25-26、C13组成积分器。

换向器的机械闭锁结构为：XLP与DZP安装在电控柜中，并以平面布置，在两台换向器的衔铁之间设置一长度可调的金属棒。

由阻容过压保护器R1-3、C1-3，压敏电阻RV1-3接入升压变压器B1的付边构成过电压保护电路。

机械启动、加速、等速运行过程中，高压真空换向器XLP得电闭合，6KV(10KV)的高压电经过XLP通入电动机。当减速时，XLP断电，其主触点断开6KV(10KV)的主电，经过0.5S-0.7S的延时，提升机控制系统让高压换向器DZP得电闭合，使得主拖动电动机通入8.5Hz-2.0Hz的低频交流电，在提升负载的作用下，主拖动电动机实现发电回馈制动，把一部分的电能回馈电网，当提升速度降低到0.5m/s时，提升机就以0.5m/s的速度(相当于3Hz左右频率)稳速低速爬行，直到停车点。高压真空换向器DZP、XLP的线圈由提升机控制系统进行控制并具有电气及机械闭锁，确保两台换向器在任何情况下不能同时得电闭合，保证数字化低频电源装置的安全运行。

本实用新型采用通用的变频器为主要核心部件，配上自行研制的“S”化频率给定电子模块、高压真空换向器以及其他器件组成的数字化低频电源装置及真空换向的控制，是大型提升机械电控系统的重要专用部件，首次将通用变频器巧妙地应用于这种场合，并取得理想的效果。

本实用新型具有以下特点：1)具有很强的抗干扰能力，环境适应性强；2)谐波分量小，对电网无公害；3)频率及电流通过闭环连续可调；4)采用变频的矢量控制技术，在不带任何反馈元件(测速机或光电编码器)的情况下，速度控制范围达1∶100，速度控制精度小于0.2％，这对于矿井提升机而言，已经是非常好的技术指标，因此，实际速度紧跟预定速度变化，速度图从等速段向减速段、减速段向爬行段过渡的平滑性好，与直流电动机拖动的矿井提升机相比，具有更优的调速性能，因为，由本数字化低频电源装置控制的矿井提升机，速度超调量为零。5)零速启动力矩可达150％，通过力矩补偿，在30秒内，在这基础上还可增加30％-50％额定力矩，因此，重载零速启动平稳，这是现有同类技术所不具备的特性；6)具有很好的堵转特性，堵转电流可以随意设定，并且实际电流值不会超过设定值，现有技术中，堵转的情况下，有时会产生很大的冲击电流，甚至造成供电电源跳闸；7)“S”化的频率给定曲线，矿井提升机数字化低频电源装置根据“S”化频率给定曲线运行，使得加速度的变化率da/dt较小或恒值，启动停止过程中对机械系统的冲击较小，对于副井提升的提升机而言，人员乘坐过程感觉舒适；8)使用调试方便，通过人机对话单元，根据不同的使用场合，重新设定的参数小于20个，在条件具备的情况下，只需一天即可完成调试及试车工作，在同等的条件下，同类技术的调试及试车工作则需15-20天；9)具有强大的故障以及外部线路故障的诊断功能，在诊断到故障的情况下，智能化调频调速拖动装置首先自动停止工作，防止故障进一步扩大，同时，进行准确的故障报警；10)矿井提升机在制动过程中产生的能量大部分直接回馈到电网中，节能可观。11)通过高压换向器将低频电源信号通入主拖动电动机，这种高压换向器具有在通断的瞬间不产生电弧、噪音小、体积小、不需维护等优点，低频电源与主电源之间具有可靠的电气及机械闭锁，安全可靠。

(四)附图说明：

附图1为本实用新型的电气原理图。

附图2为“S”化频率给定环节电原理图。

附图3为“S”化频率给定曲线图。

(五)具体实施方式：

结合附图给出的实施例对本实用新型加以具体说明：

如附图所示，本实用新型包括数字低频电源的供电电路、电源接触器的起停控制电路、变频器回路、高压真空换向器电路、变频器制动单元电路、“S”化频率给定环节以及由控制系统参与控制的控制回路等。主要由接触器KM1的主触点、快速熔断器FU1-3、升压变压器B1组成数字化低频电源装置的供电电路，阻容过压保护器R1-3、C1-3、压敏电阻RV1-3接入变压器B1的付边构成过电压保护电路，工频50Hz的交流380V电源经KM1的主触点、快速熔断器FU1-3，加到变压器B1的原边，通过变压器B1的升压作用，得到工频50Hz的460V电源，进入变频器UF1的电源输入端R、S、T；FU1-3起到过电流速断保护作用，R1-3、C1-3起到过电压阻容保护以吸收从电网侵入或由变频器的输出端因负荷的起停等原因而产生的尖峰过电压，RV1-3压敏电阻也是过电压保护器，它与阻容保护的作用有所不同，它只对尖峰过电压起削波限幅作用，过电流及过电压保护均是为了防止因过电流或过电压而损害变频器。由交流接触器的线圈以及起停按纽QA、TA组成电源接触器的起停控制回路，实现数字化低频电源装置的电源通断控制，在这一回路中，串有变频器的故障检测输出继电器KA5的常闭触点以及制动单元故障检测输出继电器KA4的常闭触点，当按下按纽QA，KM1得电，主触点闭合，数字化低频电源装置得电，按下停止按纽TA，则断电，信号灯XD1显示接触器KM1的通断情况。

UF1是通用变频器，目前采用的是日本YASKWA(安川)公司生产的VS-616G5系列的变频器，该变频器能够将50HZ的交流电，变为0-400Hz的交流电，从而达到调速的目的，这种通用变频器通常用于对相匹配容量的交流电动机进行调速控制，由于这种变频器的功率一般小于300KW，电压小于460V，而大型矿井提升机、大型凿井提升机、大型水坝过坝升船机所采用的电动机功率多数都在250JW以上，高达2000KW以上，而且在这种大小功率下的电动机多为6KV或10KV高压供电，显然这种通用变频器无法作为大型矿井提升机、大型凿井提升机、大型水坝过坝升船机等大型提升机械的主供电设备用，只能作为减速制动及低速爬行之用。在这之前，没有发现将通用变频器作为这样的用途用于提升类机械中。通过对变频器参数的设定即完成对变频器的编程。本实用新型中，变频器输出频率设定为8.5Hz-2Hz连续可调，提升机在低速爬行过程中以恒定3Hz频率运行。变频器运行在开环矢量控制的模式下，不需测速元件进行速度闭环即达到速度控制1∶100的要求。通过内部动态力矩补偿功能，可以做到零速下150％的额定力矩启动。

变频器将把从端子R、S、T进入的50Hz工频的交流电，变成8.5Hz以下的频率连续可调的低频电流信号并从端子U、V、W输出，输出的低频电流通过高压真空换向器DZP给主拖动电动机M供电。压敏电阻RV4-6起到对由于真空换向器DZP在闭合或断开的瞬间产生的过电压的保护作用。当提升设备在加速、等速过程中，来自控制系统的控制主电投入信号使得高压真空换向器XLP得电，其主触点闭合，让主拖动电动机得电，加速运行直至等速。当控制系统中减速信号发出，高压真空换向器XLP断电，其主触点断开6KV的主电，经过0.5-0.7S的延时之后，通过控制系统中“低频投入”信号使得高压真空换向器DZP动作，让低频电流通入主电动机，让提升机开始减速，在减速的初期，由于主电动机在惯性及负力的作用下，主电动机处于发电状态，产生频率高于8.5Hz的反电势，在这一阶段，一部分的机械能转换成电能通过变频器回馈到电网中去，随着提升机械的速度下降，有部分电能通过制动单元DB1消耗在电阻上。高压真空换向器XLP与DZP构成高压真空换向器回路，XLP与DZP安装在电控柜中，并以平面布置，在两台换向器的衔铁之间设置一长度可调的金属棒，进行机械闭锁，除此之外，还有必要的电气闭锁，确保高压真空换向器XLP与DZP不能同时闭合，以免高压串入数字化低频电源装置。

在提升机减速过程中，除了一部分能量回馈电网以外，另一部分能量要通过与变频器配套使用的制动单元DB1消耗在电阻上。变频器UF1中端子“+、-”端与制动单元DB1的“+、-”端分别相连。制动单元DB1对变频器UF1的直流主回路进行电平检测，当直流主回路的电平超过720V时，制动单元DB1导通并将电阻R接入直流主回路中去，通过消耗一部分能量，将变频器中直流回路的电平降下来以达到对主拖动电动机进行减速的目的。

从变频器U、V、W端子输出的低频信号的相序决定了主拖动电动机M的转向即提升机的提升方向。这个相序受到继电器KA1、KA2的控制。来自控制系统的正向控制信号，让KA1得电闭合，反向控制信号让KA2闭合，由于在控制系统中严格的电气闭锁，使得KA1、KA2绝对不可能同时得电闭合。当继电器KA1得电，其常开触点KA1将变频器UF1中的端子11-1短接，变频器输出正相序的低频信号，控制提升机正向减速并正向爬行；当继电器KA2得电，其常开触点KA2将变频器UF1中端子11-2短接，变频器输出反相序的低频信号，控制提升机反向减速并反向爬行。

低频电流及频率的大小分别通过V1、V2显示出来，只要将变频器端子23-21分别编程为电流模拟量以及频率模拟量输出即可，同时应将电压表V1、V2的表量程以电流或频率的刻度表示出来。

如附图2所示，“S”化频率给定环节由自行研制的电子模块AP1、12V直流电源TS1、测速机TG以及控制系统的减速信号继电器KA3组成。直流电源TS1为AP1提供+-12V直流电源。测速机装在提升机的机器上用以检测提升机的速度，在这里测速信号不是作为速度反馈之用，而是给电子模块产生“S”化频率给定信号提供一个频率起始值。电子模块的输出端子26-27接自变频器UF1端子13-17作为变频器的频率给定信号，变频器输出频率的大小与这个给定信号的电压值成正比。给定信号电平越高，输出频率就越高，反之，输出频率就越低。

加速过程中，随着速度升高，测速机TG测量出来的电压就越高，AP1电子模块的端子26-27输出电压也就越高。在等速段，AP1的输出电压也达到最高值。当来自控制系统的减速信号时，继电器KA3断电，其常开触点断开测速电压，同时高压真空换向器DZP吸合，低频电流进入主拖动电动机M，这时AP1的输出电压按一定的斜率逐渐降低，变频器输出电流的频率也随着降低，制动力随着增大，主拖动电动机的速度逐渐下降直至爬行速度。

提升机加速过程中，测速机TG的速度逐渐升高，其端电压从AP1端子11-12输入，AP1的端子26-27的电压跟随TG的电压变化。当提升机减速以后，继电器KA3断电，AP1的输出电压端子26-27按一定的斜率下降，由于在加速及等速过程中，高压真空换向器DZP不得电，其主触点断开，数字化低频电源装置空投入不起作用，在减速阶段，DZP闭合，变频器输出电流的频率随着AP1的输出电压降低而降低，随着频率的降低，制动力逐渐加大，促使提升机制动减速。当速度降低到一定程度，AP1的输出电压保持一定值，则变频器输出的频率固定不变，让提升机以恒定的低速爬行。AP1的信号从端子13-17输出并接到变频器的端子13-17作为频率的给定信号。

如附图2所示，测速机分压电路由电阻R1、电阻R2、电位器W1、电容器C7组成，将测速机电压经过分压从C7两端取出，最高时为8V，电容器C7对这个电压信号起到滤波作用。绝对值器由运算放大器U1a、U1b、二极管D1、D2、电阻R9-17、电容器C11、C12组成，当提升机正向或反向运行时，测速机两端的电压为正值或负值，经过这个绝对值器以后，在U1a的输出端(1)处得到的电压均为正值。“S”化频率给定环节由运算放大器U1a、U1d、U2d、电阻R18-27、电位器W6、电容器C13等组成，其中U1c、R18-20组成比例器，U1d、R21-23组成反相器，U2d、R25-26、C13组成积分器，这个环节实际上是个电压小闭环系统，输出电压通过R24反馈并形成“S”化曲线，所谓“S”化曲线就是从等速段到减速段，从减速段到爬行段的过渡不是直线过渡，而是圆弧过渡，实践证明这种圆弧过渡，有利于降低对机械设备的冲击。通过调节电位器W6，可以调节减速过程的减速度的大小。“S”化频率给定曲线如图3所示。

来自控制系统的正向开车、反向开车、减速信号、低频投入、高压主电投入信号分别通过继电器KA1、KA2、KA3，高压真空换向器DZP、XLP参与本实用新型——数字化低频电源装置及真空换向的控制。

把变频器的两路可编程的模拟量输出端子分别定义为指示低频电流及输出频率信号的大小。在端子23接量程为10V电压表用以指示电流值，把电压表面板按0-200A标定量程即可。在端子21接量程为10V电压表用以指示频率值，把电压表面板按0-50Hz标定量程即可。

另外值的一提的是，当提升机械所配的电机功率小于280KW，低压电动机，本数字化低频电源装置及高压真空换向控制可以用作变频电源对主电动机进行拖动与控制，直接用于提升机的加速、等速、减速、爬行控制，不必另供一路主电源(如6KV电源)。在最高速时，频率可达50HZ。

Claims (4)

1、一种提升机智能化调频调速拖动装置，其特征是：主要包括对380V交流电升压的数字化低频电源供电电路，将50HZ工频交流电变成连续可调低频信号的变频器电路，变频器制动单元电路，高压真空换向器电路和“S”化频率给定环节；主要由电源接触器KM1、快速熔断器FU1-3和变压器B1组成数字化低频电源供电电路，接380V交流电源的电源接触器KM1通过快速熔断器FU1-3接入升压变压器B1的原边；供电电路的输出接变频器UF1的三相电源输入端子R、S、T；变频器制动单元电路由制动单元DB1并接电阻R组成，制动单元DB1连接到变频器UF1的+、-端子，用以对+、-端子的电平进行检测；由两台高压真空换向器XLP、DZP组成高压真空器换向电路，在两台换向器之间具有机械闭锁结构；变频器输出的低频电流信号通过高压真空换向器DZP通入主拖动电动机中；“S”化频率给定环节由电子模块AP1、测速机TG、减速信号继电器KA3、直流电源TS1组成；测速机TG安装在提升机上用以检测提升机速度，其输出电压与电子模块AP1连接，为电子模块AP1给定信号提供一个频率起始值；电子模块AP1的输出端子接自变频器UF1的端子，作为变频器的频率给定信号。

2、根据权利要求1所述的提升机智能化调频调速拖动装置，其特征是：电子模块AP1包括分压电路、绝对值器、“S”化环节；分压电路由电阻R1、R2，电位器W1、电容器C7组成；绝对值器由运算放大器U1a、U1b、二极管D1、D2，电阻R9-17、电容器C11、C12组成，“S”化环节由运算放大器U1a、U1b、U2d、电阻R18-27，电位器W6、电容器C13组成；其中U1c、R18-20组成比例器，U1d、R21-23组成的反相器，U2d、R25-26、C13组成积分器。

3、根据权利要求1所述的提升机智能化调频调速拖动装置，其特征是：换向器的机械闭锁结构为：XLP与DZP安装在电控柜中，并以平面布置，在两台换向器的衔铁之间设置一长度可调的金属棒。

4、根据权利要求1所述的提升机智能化调频调速拖动装置，其特征是：由阻容过压保护器R1-3、C1-3，压敏电阻RV1-3接入升压变压器B1的付边构成过电压保护电路。

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