大型提升机交交变频双机拖动系统NEWWord格式.docx
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3.2.3行程控制曲线设定19
3.2.4行程控制调节20
3.3控制系统冗余保护的研究20
3.5交交变频双机拖动调速系统的工程调整理论及方法的研究21
4．项目应用情况24
5．技术水平比较及对行业进步的推动24
5.1技术水平比较24
5.2对行业技术进步的推动25
0.前言
大型主井提升系统要求电控系统具有很高的安全性、稳定性和技术可靠性，随着技术的进步，矿井提升电控系统朝着数字化、冗余、小型化的方向发展，特别是在自动化程度上有更大的提高。
进入20世纪80年代以来，随着电力电子学、微电子技术和现代电机控制理论的迅速发展，在调速传动领域已出现交流调速传动取代直流传动的趋势，交流变频同步电机调速不仅具有直流传动同样优越的调速性能，还具备单机容量不受限制、体积小、转动惯量小、动态响应好、宽调速范围、高稳速精度、维护简单、节约能源等优于直流传动和异步电机传动的特点，并实现了调速装置的产品系列化，对于大容量低速运转的生产机械，尤其是矿井提升机系统，交交变频同步电机调速是一种十分理想的传动方式。
淮南矿业（集团）有限责任公司张集煤矿设计年产量400万吨，要求系统提高生产效率，降低故障发生率，以适应市场需求和提高经济效益。
同时提升机传动的工艺特点，要求调速系统具有较好的调速性能、高过载能力、较高的定位精度和良好的加、减速性能指标，采用全数字交交变频控制的交流同步电机调速系统稳态调速精度小于0.1%，空载定位精度10mm,重载定位精度20mm,完全可以满足提升机传动工艺的要求。
1．项目背景
冶金自动化研究设计院（前身为冶金部自动化研究院）从事自动化工程和交交变频技术的研究开发已近20年，不断地把科技成果推向工程实践，1993年研制成功我国第一台2500kW交交变频同步电机主传动系统，在此基础上，坚持不懈，经过近10年的艰辛努力，获得了在天津、重钢、武钢、攀钢等单位轧钢机上的应用成功，项目连续突破了5000kW单机容量、控制系统全数字化和工程调试自主化等技术难关。
在淮南矿业（集团）有限责任公司张集煤矿主井提升机电控系统的项目招标中，战胜国内外竞争对手，取得了该工程项目。
我们经过认真研讨及调查，从满足工艺要求、提高系统性能和稳定性、节约能源出发，确定了交交变频同步电机双机拖动的设计方案。
该项目是我国第一套国产大型提升机全自动化、全数字化、交交变频双机拖动系统。
该系统的研制是在冶金自动化研究设计院牵头，淮南矿业（集团）有限责任公司、合肥煤炭设计研究院等单位配合下攻关完成的。
2．提升电控系统配置及功能
提升电控系统由整流变压器，励磁变压器，自动化控制计算机（主控PLC系统、监控PLC系统、闸控PLC系统、司机操作台），交交变频全数字调速系统，装卸载站控制装置，交流变频调速同步电机，液压站等电气和机械系统组成。
系统框图如图1所示。
图1主井提升机控制系统框图
2.1交流变频调速同步电机
交流变频同步电机由哈尔滨电机厂制造，在交交变频调速装置的控制下，作为提升机的驱动源。
同步电机具备提高传动系统的工作效率、运行可靠性、系统控制精度和品质，减少维护工作量等特点。
电机参数：
容量：
2*3000KW
电压：
1500V
电流：
1212.5A
转速：
40.2r/min
频率：
8.04Hz
极数：
12
绝缘等级：
F
过载倍数：
2倍/1分钟
励磁电流：
323A
励磁电压：
267V
效率：
96%
2.2干式整流变压器
交交变频同步电机调速系统采用星点联结结构，每套传动装置配置3台三相整流变压器。
整流变压器二次电压U2L的计算公式：
其中：
UDH
--电机额定电压
ID/IDH
--电流过载倍数
Udf
--晶闸管元件压降
N
--晶闸管元件串联数
A
--电路联接系数
β
--电网波动系数
Y
--系数（0.04-0.08）
αmin
--最小移相角
Ude
--变压器短路比
Ie/Ien
--变压器过载倍数
C
--系数值
根据交交变频原理，交交变频电机电压的峰值等于每组可逆整流器的直流输出电压。
由于交流输出的特点，整流变压器电压波的系数、最小移相角等参数的选择与一般直流传动略有不同。
实际选为1010V
变压器容量为:
式中：
IMN--电动机额定电流。
根据交交变频器整流变压器计算并考虑电机的过载能力，每套变频器供电系统配置3台2100kVA的整流变压器。
主整流变压器选择为：
6*2100KVA6KV/1010V
Ue%=7%△/Y–113台△/△-03台
选用顺德特种变压器厂制造的环氧树脂浇注的绝缘干式整流变压器，变压器维护工作量小、体积小、重量轻、较适合现场安装环境，而且国内已经掌握了这项制造技术。
型号ZSCB9-2100/6/1.01
额定容量2100kVA
电压6kV/1010V
接线方式Dd0、Dy11各3台
短路阻抗7%
绝缘等级F级
冷却方式风冷
2.3滚筒
采用由洛阳矿山机械制造厂制造的直径达5.7米的亚洲最大的主井提升系统滚筒。
2.4装卸载站控制装置
装卸载站系统由德国SIEMENS公司提供，控制装置采用德国SIEMENS公司的SIMATICS5系列PLC产品，完成提升机系统的自动/手动装载和卸载任务。
2.5液压系统
本提升机系统液压站由瑞典ABB公司提供，三台液压站有两台同时运行，另一台备用，与闸控PLC系统和抱闸装置配合，完成提升机的制动功能。
2.6交交变频传动系统
2.6.1交交变频主电路构成
交交变频器由三台电网自然换流可逆三相桥式整流装置组成，对应同步机A、B、C三相。
交交变频器采用逻辑无环流三相有中心点接线方式，由三台整流变压器供电，输出端采用星点联接。
同步电机采用星形接线，电机星形中点和变压器中点独立。
主回路采用这种接线方式特点是：
-变压器容量降低
-电机内无三次谐波
-采用交流偏置技术，变压器副边电压降低。
晶闸管电压安全系数提高。
M1和M2两台电机的两组整流变压器采用Dd0和Dy11两种接法，相位相互错开30°
电角度，减少供电谐波分量。
交交变频同步电机传动系统主回路接线如图2。
图2变频器主回路接线图
本系统的两台3000KW同步电机交交变频全数字调速系统是由6台交交变频主柜、2台励磁柜、1台控制柜、1台继开柜、6台吸收柜组成。
-交交变频主柜主要完成电机定子侧功率的变换和电量的检测。
-励磁柜完成励磁功率的变换和电量检测，及励磁过压的吸收。
-继开柜负责向控制系统提供各种电源。
-吸收柜完成交交变频器的输入输出线路的过压吸收。
-控制柜完成全数字磁场定向矢量控制、电流控制、行程控制、速度控制、逻辑控制、脉冲触发、故障诊断和操作保护等。
该变频器具有以下特点：
-采用自动化院自行研制的1800A/3800V晶闸管元件，每两个元件反并联装于一组散热器中构成一个功率单元，6个功率单元组成一个三相可逆桥装入一个主柜，最大输出峰值电压2121V，最大输出电流3600A。
由3个主柜组成的变频器，输出额定功率达到3000kW；
-采用全关断光电检测零电流技术，无环流切换死区＜1.1ms；
-采用变频器输入侧交流电流检测做电流闭环控制；
-采用LEM电压变换器，以实现实际电压值检测；
-采用六种脉冲传输同轴电缆，提高抗干扰能力；
-每个主柜门板有集中显示器；
显示功率单元和风机工作情况。
晶闸管元件的选择
根据经验分析估算，选择晶闸管元件为1800A/3800V。
电压安全系数KV
电流安全系数Ki
*按堵转状态，过载2.0倍计算：
*在正常运转状态，按长期过载1.5倍电流有效值计算：
因交交变频器正反组桥交替切换导通，输出电流应按均方根电流计算，每组整流桥输出均方根电流为同步电机电流有效值的1/√2。
分析上述计算结果，每套变频传动装置选用可控硅元件KP1800A/3800V元件共36只，分别装入3个主柜中，其功率单元可与国外产品互换，选择可控硅元件的电压安全系数为2.66倍，当电机过载2.0倍堵转时，电流安全系数为1.40倍。
主电路采用直流双向保护型快速开关,额定电流2000A,额定电压1500V；
主电路设计有定子过压保护等完备的保护系统，当电路中发生接地，或设备绝缘下降，对地漏电流加大时，继电器动作，发出接地报警信号。
变压器二次侧安装RC吸收及高能压敏电阻，吸收变压器操作及高压开关动作过电压；
变频器输出侧安装RC吸收及高能压敏电阻，吸收电机开关及变频器升降过电压；
晶闸管元件设置RC电路吸收换向过电压。
同步电机励磁为3相变流器供电,选择SIEMENS公司的SITOR装置，额定容量为850A。
励磁回路安置了可控硅灭磁系统和常接电阻，防止转子回路开路或定子在转子中感应造成过电压。
2.6.2交交变频同步电机控制系统
采用德国SIEMENS公司的SIMADYND多功能控制装置，与上位PLC实现通讯，完成提升机的行程控制和速度控制。
交交变频同步电机控制系统采用磁场定向矢量控制原理。
该理论基于直流电机良好的转矩控制原理，把交流电机通过坐标变换等效为直流电机进行控制，达到与直流电机调速系统相同的调速性能。
为提高系统的可靠性、实时性，改善控制性能，同时为了使整套系统的控制技术达到国际先进水平，在淮南矿业（集团）有限责任公司张集煤矿主井提升机传动系统的控制中采用德国SIEMENS公司的SIMADYND全数字控制装置，该装置同时完成提升机的提升曲线控制（行程控制）。
SIMADYND系统是一种可随意编程和设计的全数字模块化控制系统，它广泛应用于传动、供电和自动化系统，能进行高速动态信息处理以及对专门的控制系统进行调节和控制，尤其适合于开环和闭环实时控制系统。
SIMADYND具有多种标准模板，可根据具体功能要求进行配置；
STRUC编程软件提供了强大的编程手段及功能多样的标准程序库及专用程序库，对这些子程序可直接调用，并以具体的硬件配置为依据进行编程。
SIMADYND控制系统硬件由双高度欧洲标准尺寸的高抗干扰和容错性的插入式线路板组成，模板按功能分为通用处理器板、特殊任务处理器板、存储器板、数字输入/输出板、模拟输入/输出板，根据不同的任务需要可任意配置。
各处理器之间的数据传送通过两种总线来完成，C总线和L总线。
每个处理器模板都有它自己的程序和数据存储器，可以独立地完成分配给它的任务，并实现多处理器并行工作。
外部开关信号通过输入/输出模块连接，这些接口模块提供电气隔离、信号的匹配和变换，用于操作监视和服务的外围装置通过总线或串行接口联接起来。
2.6.3交交变频同步电机调速系统性能指标
变频器额定容量6300kVA
变频器额定输出电压0—1500V
变频器输出频率0—8.04Hz
变频器额定输出电流1715A
变频器过载能力200%/1min
静态调速精度0.01%
变频器综合效率97.5%
平均功率因数:
0.72
空载运行定位精度<
0.01m
重载运行定位精度<
0.02m
2.7自动化控制PLC系统
该项目的自动化控制采用2套PLC系统（主控PLC系统和监控PLC系统）完成提升机的工艺控制。
采用德国SIEMENS公司的SIMATICS7系列PLC产品S7-400，通过L2网与传动控制系统和装卸载站进行数据交换。
主控PLC系统包括一台PLC柜和一台继开柜，其功能为控制提升系统的运行，包括传动系统的建立，控制/操作模式的选择，提升机运行，另外具备少量系统保护功能。
监控PLC系统包括一台PLC柜和一台继开柜，其主要功能是提升系统的监视，包括位置和速度监视以及其他监视；
在特殊情况下，具备简易开车能力。
闸控PLC系统包括一台PLC柜和一台继开柜，闸控PLC系统与ABB的抱闸控制装置及液压站配合，共同作用实现提升机制动功能。
司机台为司机控制提升机的运行。
在操作台安放WinCC人机界面装置,通过网络与自动化计算机控制系统及液压站建立通讯，供操作司机进行实时监视。
2.7.1主控PLC控制系统（PLC1）
2.7.1.1硬件配置
采用SIEMENS公司SIMATICS7系统，其中CPU采用S7-400系列的CPU414-2DP型，程序和数据RAM内置128K字节，每1K二进制语句执行时间为0.1MS，位存储器8192，数字量输入/输出各64K，模拟量输入/输出各4096，可上SINECL2网。
PLC中采用1块CP443-5通讯模板，1块450高速计数器模板，3块431模拟量输入模板（每块8路），8块421数字量输入模板（每块32路），6块422数字量输出模板（每块32路），1块432模拟量输出模板（每块8路）。
2.7.1.2系统功能
主控PLC系统主要完成提升过程逻辑控制和保护，完成重要故障的显示和报警，完成对液压站的控制等功能.其详细功能如下：
·
确定工作方式：
自动/半自动/手动/检修/复位/不允许开车
确定液压站的工作方式：
工作/检修，液压站油压的监视控制
接收装载站/卸载站的与开车操作相关的信号，逻辑联锁控制
完成与传动系统和电机的联锁和故障保护
确定系统就绪，发出开车指令
通过网络完成与司机操作台、传动装置、监控PLC等的通讯
通过井筒开关、光电码盘完成过卷和提升行程的监控保护
电源故障保护
闸盘监视，含闸盘温度，闸盘偏摆，弹簧疲劳，闸盘磨损
轴承温度，电机温度监视
高压柜合/分位置监视
完成对液压站的低液位，油压过高，闸控故障等的故障的监视
主控PLC对自身模板工作情况的监视
错向监视
对硬件安全回路的监控
内部形成一套软件的安全回路，加强逻辑保护
超速保护功能，逐点监视等速段超速，减速段超速的监控保护
2.7.1.3安全回路
安全电路采用冗余结构，同时采用PLC与继电器两种并行控制。
安全回路中串入主控PLC系统判定的系统故障，监控PLC系统判定的系统故障，高压柜合闸信号，快开合闸信号，传动的超速信号，励磁异常信号，转子过压信号，主柜快熔异常信号，液压站闸控系统内部故障信号，液压站油压过高信号，上/下过卷信号，操作台不允许开车信号，装载站不允许开车信号，卸载站不允许开车信号，急停等信号，以确保系统的安全可靠性。
对于由PLC监控的逻辑保护由PLC在内部综合，有重故障发生即跳断PLC判定系统故障开关。
根据故障性质，有不同形式的停车方式：
紧急停车
事故停车，按正常减速度减速，然后停车.
不允许开车，故障解除后，经复位后才可使安全回路正常。
2.7.2监控PLC控制系统（PLC2）
2.7.2.1硬件配置
采用SIEMENS公司SIMATICS7系统，其中CPU采用S7-400系列的CPU414-2DP型，可上SINECL2网。
PLC中采用1块CP443-5通讯模板，1块450高速计数器模板，3块431模拟量输入模板（每块8路），8块421数字量输入模板（每块32路），5块422数字量输出模板（每块32路）。
2.7.2.2系统功能
2.7.2.2.1监控功能
当整个系统正常时，主控PLC系统和监控PLC系统双PLC运行，此时监控PLC系统承担整个系统的监控功能：
连续监视提升机的加、减速及匀速段，对超速故障进行处理；
减速点、停车点等进行定点速度监视，并对过速故障进行处理；
过卷监视：
通过位置计算和井筒开关信号，对过卷进行双重监视。
对钢丝绳滑动进行监视；
对井筒开关信号进行监视；
对液压站重故障进行监视；
对主控PLC的监视：
若发现主控PLC的死机，则实行抱闸；
对安全回路的监视；
错向监视；
打滑监视；
对传动系统的监视：
包括对传动定子、转子变流柜的通风和快熔、定转子的过压吸收、传动所需的操作电源、同步电源、脉冲电源等的监视。
2.7.2.2.2简易开车功能
当主控PLC系统发生故障，停机而不能运行，而传动系统正常时，可单独依靠监控PLC系统完成简易开车功能。
监控PLC系统与传动系统完成在简易开车规定速度范围内任一速度的提升，提升的过程如下
在提升过程中，监控PLC完成原有的各种监控功能
监控PLC完成一些重故障的处理，进行故障显示与报警。
这些重故障包括：
传动重故障、超速故障、过速故障、上过卷、下过卷、液压站重故障、装载站重故障、卸载站重故障、错向、打滑、事故停车、急停、系统重故障等。
完成设备状态的显示：
单机拖动、低压电器正常、装载站正常允许开车、卸载站正常允许开车、高压柜合闸、安全回路正常、传动准备就绪等。
完成运行状态的显示：
手动、检修、紧急开车、不允许开车、上行、下行、减速信号、解除二级制动、解除恒减速信号、停车、慢上、慢下、松闸、紧闸等。
主控PLC系统和监控PLC系统都具备对系统的监控、保护功能。
当任意一台PLC出现故障退出工作时，另外的一台都可完成简易开车功能（手动操作）。
2.8通讯网络
整个通讯网络如图3所示。
图3通讯系统控制方案
SIMADYND提供多种通讯手段与其他设备、系统进行数据传输，包括控制装置与上位机间的通讯；
控制装置之间的通讯以及与下位机间的数据传输等。
在本套系统中，装载站与卸载站之间通过L1网建立通讯；
卸载站与自动化控制计算机之间、自动化控制计算机与传动控制系统SIMADYND之间及自动化控制计算机之间通过L2-FMS网实现通讯，符合煤矿的安全标准。
同时系统支持运行中的在线调试。
3．主要技术创新内容
淮南矿业（集团）有限责任公司张集煤矿主井提升自动化控制及交交变频双机拖动调速系统的研制过程中，攻克了提升系统大功率交交变频器双机拖动及负荷平衡技术、主井提升控制系统冗余保护技术、主井提升控制系统提升行程控制技术、交交变频双机拖动全自动化提升系统的工程调整理论及方法等技术难关。
3.1双机拖动及负荷平衡的研究
3.1.1主井提升双机拖动
矿井提升领域长期被直流电动机所垄断，直流电机作为提升机传动装置往往采用两种方式：
单电机驱动或者双电机驱动。
双电机时两台电机同轴相连，驱动单卷筒进行提升操作，对于两台电机的控制区分为：
变流装置、电流控制及励磁控制独立而共用速度控制；
共用变流装置，励磁控制独立。
但是直流电机存在着换向器、电刷等部件，在提高单机容量、过载能力及简化维护等方面受到限制。
交流变频同步电机调速不仅具有直流传动同样优越的调速性能，还具备单机容量不受限制、动态响应好、高稳速精度、维护简单等优点，在调速传动领域已出现交流调速传动取代直流传动的趋势。
目前，我国矿山领域主井提升采用的交流同步电机驱动多为双绕组同步电机，电机两套绕组相互独立（分为无相差和有300电角度相差两种形式），针对独立的两套电机绕组，控制系统相应有两套独立的电流控制，而电机矢量控制系统是唯一的。
但制造大容量六相同步电机对国内企业仍是一个难题。
该项目采用交流调速同步电机双机拖动方式。
两台电机与卷筒同轴联接，但台电机容量为3000kW，整个提升系统等效为6000kW同步电机驱动。
3.1.2负荷不平衡问题的产生
本系统采用先进的全数字交流调速控制系统，保证了传动系统的高控制精度和高稳定性。
传动控制系统的软件程序设计，针对两台电机共用一个速度控制环，同一个速度控制环保证两台电机的同步运行，而且两台电机与卷筒的直联结构也保证了电机速度相等。
提升卷筒的转矩T=Tm1+Tm2，其中Tm1、Tm2分别为两台电机的转矩，Tm1=1ist1、Tm2=2ist2，简单地看只要能将两台电机的转矩控制成完全相同，每时每刻都没有转矩不相等的趋势，即能够实现理想的负荷平衡状态。
但在实际应用情况中，系统控制误差是不可避免地存在着。
该项目的控制误差来自以下几个方面：
-电机制造偏差造成的控制误差
-变流器（变压器、变频装置等）制造造成的控制误差
-系统调整误差
其中，系统的调整误差是最主要的。
本系统控制软件设计，两台电机的矢量控制环节、电流控制环节及磁通控制是独立的。
磁通控制环节是闭环控制，相同的磁通给定保证两台电机1=2，但是由于电机定子电压、电流标定，励磁电压、电流标定，矢量控制参数的调整等因素造成两台电机的矢量控制环节的控制精度不完全相同，ist1ist2，与ist不完全正交，if1if2，造成两台电机的转矩不相等，产生所谓的负荷不平衡问题。
3.1.3负荷平衡控制
本系统引入了负荷平衡控制环节，以保证两台电机在相同转速下的均衡出力，即负荷平衡。
控制框图如图4所示。
图4负荷平衡控制原理框图
在提升机双机运行时，负荷观测器通过电机的磁通和电流实际值时刻监测两台电机的转矩，当两转矩的差值超过3%时，负荷平衡控制环节投入，调整电机的电流给定值，可以通过调节实现在一定检测精度下两台电机的转矩平衡。
本系统负荷平衡控制环节通过双向调节，加大转矩小的电机的电流给定的同时，减小转矩大的电机的电流给定，达到两台电机的转矩平衡，即负荷平衡。
效果十分理想，两台电机的转矩电流基本能够保持同步。
如图5所示。
图5M1电机转矩电流M2电机转矩电流
3.2控制系统提升行程控制的研究
矿井提升机在工艺上是在两定点之间运行，控制系统最终的控制效果体现在对位置（行程）的控制准确性上，因此提升电控系统要具有性能优良、安全可靠的行程控制，矿井提升电控系统中的位置控制是一个重要环节，本系统采用位置闭环控制技术来保证提升箕斗在预定地点准确停车。
行程控制框图如图6所示。
图6行程控制框图
张集矿主井提升机采用国际先进的行程控制技术，使提升机能够准确地按照设计曲线平稳运行。
行程控制精度高、安全可靠。
在实际运行中完全达到设计对行程控制的要求。
3.2.1行程控制功能包结构
行程控制功能包具有如下特点：
按照设定的速度限幅、加速度、减速度和加速度导数为调节器形成给定曲线，因而是最优时间运行。
通过3个积分器,行程控制功能包产生理想的行程控制设定曲线。
在手柄操作方式（手动方式）下，速度、加速度、减速度和加速度导数被限定在设定的限定值内，可以确保在任何操作方式下，提升机可靠、安全地运行。
此外，行程控制功能包在不连接机械时也可以行程控制进
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