一種卷揚機變頻操控裝置的製作方法
2023-10-05 03:20:49 1
專利名稱：一種卷揚機變頻操控裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種使用變頻器對卷揚機電機進行操控的裝置。
背景技術：
現有的卷揚機系統組成包括卷揚機、罐籠、配重、主動電機、油泵站、液壓機械抱閘裝置、電源櫃、加速控制櫃、電阻櫃、動力制動櫃、操控臺等。其中，液壓機械抱閘裝置在失電狀態下處於完全抱緊(制動)狀態(抱閘裝置設有2對摩擦片，分別夾緊卷揚機的法蘭盤，通常情況下由於彈簧作用而處於夾緊狀態)。當電磁閥打開時，高壓液體推動油缸，抵消彈簧的夾緊力，使摩擦減小，從而使抱閘的夾緊力減小，制動減弱。當高壓油完全進入油缸而產生最大推動力時，抱閘完全釋放，即系統處於自由狀態。旋轉操縱杆，控制自整角機(即旋轉變壓器)兩軸的轉角差，從而改變自整角機輸出電壓。此電壓經整流後加在電磁閥上調節油路上電磁控制閥的開啟程度，並由此控制抱閘力的大小。當操縱杆推到最大(約直流20V)時，抱閘完全放開(即盤閘處於自由狀態)；當操縱杆推到某一位置(約DC7V)時，系統處於臨界制動狀態(此處20V和7V均為對原系統實測而得)。
通常，罐籠下降時不載重物(有時承載工具或工人)，而在提升罐籠時，罐籠裝載物體(有時是空罐籠)。也就是說，配重上升時電機負載較大(空罐籠)，配重下降時電機負載較小(載重罐籠)。但有時配重下降時，所提升的罐籠也未裝載重物，因此，電機處於很強的發電狀態。卷揚機系統控制罐籠升降，在響應各中段信號後，還應準確對罐。因此，電機轉速必須可調節、制動必須可靠、起動必須迅速平穩。而原系統除了制動外，其他各項均不理想。
再者，原系統採用的調速方式比較落後，整個電源、控制系統包括三個大型低壓電器櫃和一個電阻櫃，控制相當複雜，發生故障的環節較多。況且，可控矽斬波環節本身的故障率就很高，增加了系統維護的壓力。另外，控制系統複雜、檢修困難、維修成本高、調速範圍小、調速不平穩。從節能方面考慮，卷揚機系統屬於恆轉矩性質負載，罐籠低速運行時，電機轉差功率大，而這些轉差功率全部轉化為熱量消耗掉了。所以原調速方式屬於低效率調速方式，能耗大，低速運行時能量消耗在電阻上；由於電機極對數與施加於其定子側的電壓頻率都不變，所以電機的同步轉速或理想空載轉速也不變，這樣電機的機械特性是一族通過理想空載轉速點的特性，調速時機械特性隨著轉子迴路電阻的增大而變軟，大大降低了電氣傳動的穩態調速精度；由於串入電機轉子迴路的附加電阻級數(即不能無級變化)受限，無法實現平穩調速；空罐上升時電機處於發電狀態，此時同樣消耗能量。這些都是該系統存在的致命缺陷。
變頻調速是目前交流異步電動機最理想的調速方式，它模擬直流電機的調速方法，並考慮了電動機動態性能要求，具有無級調速、響應迅速、運行平穩、控制靈活等特點，業已廣泛應用於各個領域。然而，迄今為止，變頻器在冶金、礦山等行業還沒有開拓出應有的應用，尤其是礦井卷揚機提升設備的變頻改造，此前全國尚無成功範例。
實用新型內容為了提高礦山卷揚機提升系統的技術水平和運行可靠性，提高設備效率，降低維修費用，本實用新型提出了一種卷揚機變頻操控裝置，即利用變頻器驅動卷揚機電機，並且集中控制卷揚機液壓報閘裝置，從而使「控制」、「調速」、「制動」、「保護」等功能協調聯動，完美統一。
本實用新型的變頻操控裝置包括操控臺和液壓抱閘制動裝置，以及由變頻器、洩放單元和洩放電阻組成的變頻櫃；其中洩放單元包括開關電源、電壓採樣與處理電路、脈衝信號發生與觸發電路、保護與IGBT驅動電路及IGBT功率模塊，該單元分別與變頻器和洩放電阻連接；操控臺與變頻櫃和液壓抱閘裝置相連接；綜合控制邏輯電路將變頻器控制輸出信號與液壓抱閘裝置相連接；由洩放單元和洩放電阻組成的洩放裝置與變頻器相連。
本實用新型由變頻櫃、洩放單元、洩放電阻、操控臺等組成，整套系統體積小、重量輕、操作使用方便可靠，並且完全沿用礦山設備的操作習慣。事實上，單從系統外觀上看，新系統比原系統就有很大的優越性原系統共有四個電控櫃或電阻櫃和一個操控臺，而「卷揚機變頻操控系統」只有一個變頻控制櫃和一個操控臺。其中洩放單元和洩放電阻的作用主要是洩放電機所產生的再生能量。變頻系統本身帶有軟制動，尤其在安全性方面採取了多重保護，在軟制動(洩放制動)基礎上將原系統使用的液壓抱閘裝置作為主要制動手段，並對其進行自動抱閘、適度抱閘和完全抱閘等操作，使系統在工作的全過程均有安全保障。
操控臺使用工頻220V電壓，並與變頻櫃和液壓抱閘裝置相連接，用來控制變頻器輸出、液壓抱閘裝置和各種狀態指示、速度指示、故障信息指示；綜合控制邏輯電路是將變頻器故障信號與液壓抱閘裝置相連接，從而實現當變頻器發生故障或進入保護狀態時自動啟動抱閘裝置，同時，它還可在電機處於發電狀態時啟動「適度抱閘」電路，從而減輕洩放壓力；洩放裝置與變頻器相連，使得電機處於發電狀態時，將所產生的回饋能量洩放掉，從而保護變頻器和電機。
開關電源給整個裝置提供控制電源和驅動電源；「採樣與處理」電路對變頻器PN端電壓實時監測，當其高於預置的閾值電壓時，起動「信號與發生」電路，產生洩放控制信號；洩發信號經過「驅動電路」對其驅動電流放大後，用於控制IGBT的開關控制；驅動電路同時具有IGBT過流監測與保護作用。
變頻調速器是通過改變電動機輸入電源的頻率來調節電機轉速的，因此調速範圍很寬，可以達到0～400HZ。頻率調節精度為0.01HZ，基本上實現了無級調速。所以，採用變頻器後，電機可以實現真正意義上的軟啟動和平滑調速。並且，變頻器提高了輸入電源的功率因數，在基頻以下為恆轉矩輸出，輸出功率隨轉速變化，因此具有很好的節電效果。另一方面，變頻器還可通過軟體，很方便地改變輸出轉矩(即調整轉矩補償曲線)和加減速時間、目標頻率、上下限頻率等。它還具有強大的兼容功能，通過微型鍵盤終端調用內部功能，並根據使用要求進行功能組合、參數設置(修改)和動態調速。通常，變頻器可通過鍵盤操作，也可通過端子排控制，還可通過PLC進行多段速度控制。外控信號可以是電壓，也可以是電流，還可通過編碼器進行數字控制。
卷揚機變頻操控系統採用交流電機變頻調速器作為調速單元，操控臺重新設計(操作方式保持原習慣)，終極制動仍沿用原系統的盤閘制動。整個系統簡潔明了、連接方便，可控性非常好。
此外，本實用新型還具有以下特點1、實現了電動機的軟啟動。
2、實現了無級平滑調速，可在靜態或動態任意調整電機轉速。
3、運行平穩，無轉差衝擊，延長了機械系統的使用壽命。
4、響應迅速，控制靈活，便於實現集中控制和系統集成。
5、集信號處理、運行控制、電子制動、機械制動、安全保護為一體，提高了設備的整體功能。
6、操作直觀簡便，駕馭輕鬆自如。
7、節能率高。
圖1是本實用新型的原理圖。圖2是本實用新型中洩放單元的電路圖。
具體實施方式
如圖1所示，操控臺1用工頻220V電壓，並與變頻櫃和液壓抱閘裝置3連接，用來控制變頻器輸出、液壓抱閘裝置3和各種狀態指示、速度指示、故障信息指示；綜合控制邏輯電路2是將變頻器故障信號與液壓抱閘裝置3相連接，從而實現當變頻器發生故障或進入保護狀態時自動啟動抱閘裝置，同時，它還可在電機處於發電狀態時啟動「適度抱閘」電路，從而減輕洩放壓力；洩放裝置4與變頻器相連，使得電機處於發電狀態時，將所產生的回饋能量洩放掉，從而包好變頻器和電機。
如圖2所示，開關電源給整個裝置提供控制電源和驅動電源；電壓採樣與處理電路7對變頻器PN端電壓實時監測，當其高於預置的閾值電壓時，起動脈衝信號發生與觸發電路6，產生洩放控制信號；洩放信號經過保護與IGBT驅動電路5對其驅動電流放大後，用於控制IGBT的開關控制；保護與IGBT驅動電路5同時具有IGBT過流監測與保護作用。
1.洩放阻尼控制電路洩放單元的電路如圖2所示，P、N是變頻器直流母線電壓，取自變頻器外接端子，當電機處於發電狀態，P、N兩端之間電壓必定升高，當高於某一設定值時，IC1B輸出低電平，控制洩放單元工作；VR3設置電壓比VR2設置電壓高一檔次，當PN端電壓特別高(有可能洩放單元消耗能量不足於抵消發電能量，PN端電壓繼續升高)，高於某一值時，IC1A的1腳輸出低電平，光耦PC2關斷，洩放單元不再工作，從而保護洩放單元(此種情況下變頻器跳「OE」保護)。也就是說V1≤Vi≤V2時，T1的E腳為低電平，PC1、T1導通。在原來迴路中串入光耦PC5、PC6，PC5、PC6導通，分別控制操控臺洩放指示燈和液壓系統自動適度抱閘。PC1導通時，U1A(4093)的XF信號變為高電平，與「555」產生的振蕩信號「與非」後驅動功率模塊間歇導通，以避免洩放模塊因連續工作發熱而燒毀。
2.開關電源電路採用開關電源的優點是增大了交流輸入電壓範圍、提高了直流輸出的穩定性、減小了重量和體積。所用開關電源的電路模式為斬波方式降壓型單端反激式變換器，拓撲結構簡單、技術成熟、性能可靠。
該電路的核心為一塊UC3842型單片集成脈寬調製器，它是一種單端輸出電流控制型電路。其最大的優點就是外接元件極少，外電路裝配簡單，因而在小功率開關電源中應用極為廣泛。
開關電源為典型的單端反激變換式電路，交流工頻電源電壓經全波整流、RC濾波作為主直流電源電壓。在這種電路中，開關元件要承受兩倍的輸入直流電壓峰值，因而開關管(此處用VMOS場效應管)的耐壓要大於700V/1200V(分別對應於交流200V輸入和交流380V輸入)。用VMOS開關管時其工作頻率最高可達250kHz左右。當然，工程實際使用中由於柵控器件和工藝等影響，開關頻率一般不超過120KHZ。
UC3842的供電電壓一般在10～30V之間，當供電電壓低於16V時，整個電路的電流僅約1mA。這樣，從輸入直流高壓通過電阻(130KΩ/1W)降壓供電即可。當電路啟動後，高頻變壓器反饋繞組輸出自給電壓，經整流(FR157)、濾波後即可實現自饋供電，因而省去了輔助電源，使電源電路大大簡化。
電路的振蕩頻率由UC3842的外接RC元件的時間常數確定。RT(此處採用2.4KΩ)接在(8)、(4)腳之間，CT(0.001μF)接在(4)、(5)腳之間。則振蕩頻率f≈1.8/RT CT＝1.8/(2.4×0.001)＝75KHz3.「空罐下配重」過程分析及洩放模塊選擇根據理論分析，卷揚機系統的難點在於「空罐下配重」過程。此時，相當於重物的自由落體，重力加速度的影響是至關重要的。
配重約為1.2T，罐籠自重約為0.4T，重量差高達0.8T。假設礦井深度為300m，則其勢能約為E＝mgh＝800×9.8×300＝2352000(J)最大速度，即達到井底時的速度(假設無任何阻力)為v=gt=g2Sg=9.86009.8=9.87.8=76.7(m/s).]]>設50HZ時電機的轉速為580rpm(十級電機)，系統的減速比為1∶4，卷揚機捲軸半徑為0.4m。那麼，在配重自由落體到井底時捲軸的角速度為ω1＝76.7/r＝192rad/s換算為電機輸出頻率應為f＝ω1×4/2π＝122HZ換算為電機轉速為n＝60×ω1/2π＝1832轉/分可見，此時電機處於超強發電狀態。
設配重自由下落到捲軸線速度為v時，剛好等於電機的額定輸出頻率(50HZ)。則有
V＝580×(2πr)/(4×60)＝6.07(m/s)此時下降距離為S＝1/2×v2`/g＝1.9m即配重自由下落約2m時恰與電機的額定頻率相平衡。以該速度將配重下到井底約需50秒，平均發電功率為Pλ＝2352000/50＝47KW注1平均洩放電流(設洩放電壓為740V)約為Iλ＝47000/740≈64(A)因此，本系統的洩放裝置容量，即洩放模塊額定電流應選擇Ia＞64×3＝200(A)4.電力電子功率器件選擇變頻器中功率器件選用IGBT(絕緣柵場效應電晶體)，IGBT綜合了MOS場效應管(MOSFET)和雙極電晶體(BJT)的特點，即控制極輸入阻抗高，是場控器件，這一點是MOSFET的特點，可以採用微電子TTL、COMS電路直接驅動或採用集成驅動模塊驅動，驅動簡單，保護容易；另外，IGBT的輸出特性中飽和壓降低，這一點是BJT的特點。模塊本身功耗低，開關頻率高。因此，卷揚機變頻操控系統設計採用IGBT作為功率開關器件。
5.測試試驗①試驗數據
注11KW·h＝3.6×106J。
表中只列出了罐籠下降和罐籠上升兩個過程中變頻器的輸入輸出電流，用於對比分析。其他環節實驗數據此處略。
②結果分析從以上試驗結果來看(1)空罐上升(空罐下配重)期間變頻器輸入電流幾乎為零，此期間系統不消耗電網能量；輸出電流不為零，此電流為電機發電電流倒灌入變頻器。(2)重罐下降期間變頻器輸入電流只有2～3A左右，此時重罐重量同配重重量相近，幾乎不消耗能量。(3)在同一運行過程中，低頻(低速)時變頻器輸入電流小，高頻(高速)時變頻器輸入電流大。說明低速運行時可達到節電目的。
綜合以上所述，採用卷揚機變頻操控裝置後，在電機處於發電狀態時，系統反饋能量可通過洩放單元洩放掉。總之，在工作全過程，系統或者不消耗電能，或者節能運行，平均節電率實測可達45％以上。
權利要求1.一種卷揚機變頻操控裝置，包括操控臺(1)和液壓抱閘裝置(3)，其特徵是還包括由變頻器、洩放單元和洩放電阻組成的變頻櫃；其中洩放單元包括開關電源、電壓採樣與處理電路(7)、脈衝信號發生與觸發電路(6)、保護與IGBT驅動電路(5)及IGBT功率模塊，該單元分別與變頻器和洩放電阻連接；操控臺(1)與變頻櫃和液壓抱閘制動裝置(3)相連接；綜合控制邏輯電路(2)將變頻器控制輸出信號與液壓抱閘裝置(3)相連接；由洩放單元和洩放電阻組成的洩放裝置(4)與變頻器相連。
專利摘要一種卷揚機變頻操控裝置，包括操控臺(1)和液壓抱閘裝置(3)，和由變頻器、洩放單元和洩放電阻組成的變頻櫃；其中洩放單元分別與變頻器和洩放電阻連接；操控臺(1)與變頻櫃和液壓抱閘制動裝置(3)相連接；綜合控制邏輯電路(2)將變頻器控制輸出信號與液壓抱閘裝置(3)相連接；由洩放單元和洩放電阻組成的洩放裝置(4)與變頻器相連。採用該裝置後，在電機處於發電狀態時，系統反饋能量可通過洩放單元洩放掉。在工作全過程，系統或者不消耗電能，或者節能運行，平均節電率實測可達45％以上。
文檔編號B66B1/06GK2585844SQ0228919
公開日2003年11月12日 申請日期2002年12月13日 優先權日2002年12月13日
發明者林海光, 陳亞明 申請人:煙臺惠豐電子有限公司