矿用隔爆兼本质安全型交流变频器说明书

矿用隔爆兼本质安全型交流变频器
四象限绞车电控系统上海伟肯实业有限公司 2012-1-1 版本
目录
第一章产品基本信息介绍 (03)
第二章设计原则及依据 (05)
第三章电控系统技术说明 (07)
第四章变频器参数设定 (16)
第五章操作流程 (18)
第六章故障和报警 (19)
第七章元件清单 (22)
第八章原理接线图 (23)
第一章产品基本信息介绍1.1概述
BPJ7系列矿用隔爆兼本质安全型交流变频器是一种集真空磁力起动器、数字式变频调速装置及相关的散热技术为一体的高新技术产品。

该产品适用于交流50Hz、额定电压660V的异步电动机重负荷软起动、软停车和运行过程控制，具有起动电流小、起动速度平稳、起动性能可靠、对电网冲击小等优点，其起动曲线有“S”型和线性二种。

该曲线可根据现场实际工况进行调整，从而减少起动时对设备的动张力。

此外，变频器具有在线控制功能，可根据电机的负荷变化，调整电机工作电源电压和频率，从而达到所需转矩。

具有明显的节能效应，可实现经济运行。

随着煤矿自动化程度的不断提高，变频器正以其节能、高效、安全、可靠的特点，逐渐成为今后煤矿电机设备调速控制的发展方向，并得以广泛的应用。

本产品主要用于煤矿井下或露天矿山、港口码头、选煤厂、发电厂等大负荷恶劣环境中运输设备的软起动、软停车和运行过程控制，即用于煤矿井下绞车提升机、刮板运输机、给煤机、风机、局扇、水泵及油泵等设备的调速控制。

1.2产品型号
主要规格参数：
a）输入电压：AC660V，50/60Hz，75%Ue～110% Ue，电网不平衡度：最大为电网线电压的±3%。

b）输出电压：电压随频率呈线性变化。

c）额定功率：200kW，功率因素：0.97（额定负载下）；频率分辨率：0.01Hz。

d）额定电流：660VAC，216A；额定过载电流：150%额定电流1min。

e）起动频率：0.5～60Hz 可调设定，频率分辨率：0.01Hz。

f）工作制：连续工作制或短期工作制。

g）本安电源：输入电压127V，本安输出最高开路电压：24.2VDC；本安输出最大电流：0.5A；
h）冷却方式：热管风冷却。

1.3型式
➢防爆型式：隔爆兼本质安全型Exd[ib]I。

➢控制型式：恒转矩型、变转矩型、四象限矢量控制型。

恒转矩型的变频器分连续工作制和短期工作制，由用户根据控制对象调整、选择。

变频器连续工作方式时，变频控制器在线工作；短期工作方式时，变频仅
在起动和停止时工作。

➢低频启动：自动转矩补偿，重载起动时低速满转矩，150%额定转矩。

1.4安装环境
a）海拔高度不超过2000m，压力（80～106）kPa。

b）周围环境温度不超过-10℃～+40℃。

c）周围空气湿度不大于95%±3%（25℃±3℃时）。

d）有爆炸性气体及煤尘爆炸危险的场合。

e）无显著摇动和剧烈振动、冲击的地方。

f）无漏水的地方。

g）污染等级不高于3级。

第二章设计原则及依据2.1 通用标准
进口电器设备遵守国际电工委员会IEC标准
➢GB50070-94 《矿山电力设计规范》
➢GB50054-95 《低压配电设施规范》
➢GB16424-1996 《金属非金属地下矿山安全规程》
➢GB/T13926-1992 《工业过程测量和控制装置的电磁兼容性》
➢《煤矿安全规程》
2.2 其他标准
➢GB 191—2000 《包装储运图示标志》
➢GB 2681—1995 《电工成套装置中的导线颜色》
➢GB 2682—1995 《电工成套装置中的指示灯按钮的颜色》
➢GB 3836.1—2000 《爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求》
➢GB 3836.2—2000 《爆炸性气体环境用电气设备第2部分：隔爆型“d”》
➢GB 3836.3—2000 《爆炸性气体环境用电气设备第3部分：增安型“e”》
➢GB 3836.4－2000 《爆炸性气体环境用电气设备第4部分：本质安全型“i”》
➢GB/T 311.7—2003 《高压输变电设备的绝缘配合使用导则》
➢GB/T 2423.4—1993 《电工电子产品环境试验规程试验Db：交变湿热试验方法》
➢GB/T 3859.1 《半导体变流器基本要求的规定》
➢GB/T 3859.2 《半导体变流器应用导则》
➢GB/T 3859.3 《半导体变流器变压器和电抗器》
➢GB/T 12325—2003 《电能质量供电电压允许偏差》
➢GB/T 12326—2000 《电能质量电压波动和闪变》
➢GB/T 12668.2—2000 《调速电气传动系统第2部分：一般要求低压交流变频电气传动系统额定值的规定》
➢GB/T 12668.3—2003 《调速电气传动系统第3部分：产品的电磁兼容性标准及其特定的试验方法》
➢GB/T 13384—1992 《机电产品包装通用技术条件》
➢GB/T 14048.1—2000 《低压开关设备和控制设备总则》
➢GB/T 14549—1993 《电能质量公用电网谐波》
➢GB/T 15543—1995《电能质量三项电压允许不平衡度》
➢GB/T 15945—1995 《电能质量电力系统频率允许偏差》
➢GB/T 17625.1—2003 《电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每项输入电流≤16A）》
➢GB/Z 17625.3—2000 《电磁兼容限值对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制》
备注：以上标准均执行最新版本
第三 电控系统技术说明
3.1 调速原理
变频调速是电机调速的主要技术。

交流电动机转速的表达式为： n=
p
s f )
1(60 其中：f ——定子供电电源的频率
p ——电动机的极对数 s ——电动机的转差率。

由上式可知，当平滑地改变f 时，n 也可得到平稳的改变。

所以，变频调速技术的关键是如何获得频率可变的大功率供电电源。

3.2 系统组成
根据用户对井下绞车交流变频电控系统技术要求，本系统由调速、控制、保护及通讯等四大部分组成。

（系统如图1所示）。

图1 绞车电控系统图
3.2.1 变频器物理构成
➢ 核心部件是西门子工程型矢量控制的四象限变频器
作为整流回馈单元；ABB 原装进口的ACS800提升机专用变频器作为逆变单元。

（如图2）
➢ 集成大模块，660V 电压用IGBT 耐压1700V ，电流
600A ；1140V 电压用IGBT 耐压3300V ，电流800A 。

➢ 输入加电抗器，以改善逆变输出波形，同时能抑制对
周围其他设备的干扰信号 。

➢ EMC 是一个综合装置，包括输入共模滤波器、电抗
器、输出电抗器、正弦滤波器及抗高频干扰的磁环等（用户可根据实际需要选择配置）。

变频绞车电控箱
操作台
深度指示器
液压泵站 润滑泵站 信号
盘型闸 轴编码器
变频器
触摸屏
图2 BPJ7系列矿用隔爆兼本
质安全型交流变频器
3.2.2 技术特点
a) 先进的矢量控制技术。

矢量控制技术将直流控制中的双闭环（速度环、电流环）调节控制通过一系列矢量变换后用于交流三相电机的控制，使交流三相异步电机的调速性能近似于直流电机，其调速精度高，性能好。

b) 先进的IGBT功率模块，功率损耗小。

c) 自动换向变频技术
四象限运行，当电动机减速制动时，从逆变器返回的再生功率使变频控制装置内直流母线电压升高，变频控制装置内控制芯片发出指令，使输入电流相位与电源电压相位相反将电动机再生能量反馈到电网中，实现电动机的能量再生制动。

d) 先进的机械制动应用技术
在绞车控制系统中要求变频器在四个象限运行、200%力矩启动、启动次数频繁等苛刻条件下工作，变频器如果在没有力矩输出时就打开抱闸是很危险的，不符合《煤矿提升绞车安全检验规范》的要求。

ABB的机械制动采用电流互感器检测输出电流，进行向量分解以检测电机定子磁场位置，经计算反馈给控制处理器CPU，经CPU运算后并通过专用ASIC电路发出控制信号，触发门极驱动器来控制IGBT桥的PWM调制电压、频率的。

整个过程在极短时间内循环完成一次。

当输出力矩足够大（大于150%）时打开抱闸，运行时电机出力将自动保持在能够克服的摩擦力和运行的加速度上。

e) 变频器能提供无温度传感器的温度自动补偿。

保证转矩输出与期望的转矩一致；
f) 具有PROFIBUS-DP通讯接口，便于和PLC及上位机通讯组网；
g) 变频器具有以下诊断和保护功能：
失压检测与脱扣；过压检测与脱扣；过流检测与脱扣；温度过高检测与脱扣；外部脱扣信号检测与脱扣；变频器输出端短路检测与脱扣；接地故障检测与脱扣；电动机失速保护；电子式I2t电动机保护；32条故障信息缓冲区；32条报警信息缓冲区；
h) 与防爆变频器配套的进线电抗器、输出电抗滤波器和自耦变压器保证了电机反馈的再生能量
接近正弦波，不会污染电网和干扰其它设备的正常工作。

3.3电控箱
KXJ-128型矿用隔爆兼本质安全型控制箱（详见图3），它由两套
西门子公司生产的S7-200PLC（同时在线、互为检测），本质安全型
电源和继电器及防爆外壳等组成。

➢主要功能：
a) 完成绞车所有控制功能；
b) 提供3路本安电源，供操作台、信号、继电器及现场仪表用；
c) PLC承担着对各个输入、输出量的数据采集、程序控制和信息
交换的任务。

本系统采用西门子公司S7-200PLC两套、配置一样，
图3 电控箱
同时在线、互为检测，但平时只有一套PLC参与控制，另一套PLC进行有效实时监测。

当主控PLC 发生故障时，另一套PLC可进行故障处理，并参与控制停机。

两套PLC输入信号取自不同的外部开关量，输出控制采用PLC接点串、并联的形式进行控制，这将大大提高PLC运行的可靠性。

同时在变频器、PLC和人机界面之间建立通讯网络，将变频器的重要参数及系统的重要信息在人机界面上实时反映出来，从而强化了系统的操作和显示功能。

配置56个开关量输入点，32个开关量输出点，8输入模拟量模块和2输出模拟量模块。

➢结构简单
采用模块化设计，便于用户组态配置；DIN标准导轨安装；集成的背板总线技术；更换模块简单，扩展灵活方便。

➢功能强大
高速的指令处理；支持浮点数运算；方便用户的参数赋值；诊断功能强大；还具有多级口令保护。

➢网络通讯
具有多种不同的通讯接口，可以连接不同的AS-I接口、PROFIBUS和工业以太网总线系统，
支持过程通讯和数据通讯；多点接口（MPI）集成在CPU上，可以同时连接编程器、上位机、
人机界面、变频器等自动化控制系统。

3.4TH7-24本安操作台
由控制部分及数据监控部分两部分构成。

3.4.1控制部分
➢元器件：
a）带增益性电位器的主令手柄
b）起动、停止按外地及紧急停车开关
c）自动、手动、检修方式转换选择开关
d）正反过卷旁路转换选择开关
e）制动泵起停及转换选择开关
f）润滑泵起停及转换选择开关
g）故障复位和电源控制按钮
h）自动开车确认按钮、带方向记忆
i）液晶深度指示器
➢功能：
a)完成绞车的各种操作；
b)完成控制信号与故障信号的隔离和转换
c)组成硬件安全回路并与软件安全回路相互冗余及闭锁
d)完成液压站、工作闸、安全闸的状态信号采集
e)通过PROFIBUS现场总线与上位机之间进行桥接通讯
3.4.2数据监控部分
内置10.4英寸矿用隔爆真彩抗干扰昆仑通态触摸屏，可显示：
a)读取变频器参数，如：频率、速度、转矩、电流、电压、功率等、直流母线电压等。

b)运行时间显示、打点信号显示、运行方式。

c)显示牵引车运行的速度、深度、牵引车位置、牵引车运行的方向等。

d)安全回路工况监视，如电源、井筒开关等状态。

e)绞车位置显示，其显示形式可以是数字的、模拟的、图形和曲线等、备有4000条历史记录。

f)操作台上的选向按钮误操作显示并有语音报警，直到司机把按钮扳到正确位置恢复正常后才允许开车。

g)绞车速度显示，其显示形式可以是数字的、模拟的、图形和曲线等、备有4000条历史记录。

h)故障报警和记忆，记忆的内容有故障发生时间及发生时的提升容器位置、速度等、备有4000条历史记录。

3.5保护部分
3.5.1安全回路冗余
根据JB8516-1997《安全回路设计应为双线冗余制》的规定，系统采用双PLC加硬安全回路继电器真正实现“双线制”冗余控制和安全保护。

对安全回路、恒速超速、减速超速、过卷等重大故障均采用软硬件冗余设计和多重保护。

当系统出现重故障时，PLC程序中的安全回路被断开，作用于安全继电器并执行二级制动或紧急制动（一级制动）。

PLC程序中的进入安全回路的接点有：
a)电源故障；
b)变频器故障；
c)编码器故障；
d)错向运行；
e)过卷；
f)液压站制动油过压；
g)润滑站堵塞、过压；
h)等速段超速；
i)减速段超速；
j)爬行段超速；
k)操作台上的急停按钮和脚踏开关及信号急停；
l)松绳、断绳保护；
m)误松闸保护（指在无开车指令时，出现了制动油压）；
n)深度指示器失效；
o)绞车后备保护。

为提高安全回路动作的可靠性，上述的a)、b)、d)、e)、f)、j)、k)、l)、m)、o)等接点除进入PLC组成软件安全回路外，还直接作用于硬件安全回路。

当系统出现轻故障时，应能完成当次开车过程，不开车时则断开安全回路，待轻故障排除后，安全回路才能被接通。

轻故障的主要接点有：
1)制动油温过高
2)润滑油温过高
3)制动油、润滑油欠压
4)电机温度过高
5)滚筒轴承温度过高
6)润滑站堵塞
7)闸瓦磨损
3.5.2 绞车位置的行程和速度检测
系统满足行程和速度检测范围，检测精度不低于0.05m，并具有下列显示形式：
a)数字式显示表显示。

b)人机界面数字、模拟图形（如棒图、状态图）显示。

3.5.3 自动减速功能
系统能自动发送减速控制信号，并伴有声光信号，使绞车同时自动投入减速运行。

这种声光信号应有别于故障状态时的声光报警信号的。

3.5.4 自动控制速度设置
自动控制设置三种速度：下放人车和超长、超宽、超高、超重等物体时速度不超过1.7m/s；下放火药和其它爆炸物品时，下放速度不超过1m/s；正常的提放物料时，绞车运行速度不超过3.15m/s。

3.5.5 加速度选择功能
系统有两种加速度可供选择，因此在提人和提物时就有两种最高速度可供选择，如提物3米/
秒则提人可设成2.5米/秒。

正常提升物料必须与提升人员（或“四超设备”）分开，后者设置专用档位。

3.5.6 故障状态记忆功能
安全制动（二级制动）或紧急制动（一级制动）停车时，在人机界面上能记忆并显示故障时绞车的位置和速度及故障发生的原因。

3.5.7断电记忆功能
系统断电时，之前的设置参数和绞车的位置、状态等能被存储，以至于恢复供电时，所存储的内容能被自动恢复。

3.5.8 开车方式选择功能
绞车能分别在提矿、正常、检修方式下运行。

a) 提矿方式。

重载运行模式，该模式下系统运行最大速度为100%额定速度，绞车运行至特殊路段时，显示屏会进行提示加、减速操作。

b) 正常方式。

轻载运行模式，该模式下系统运行最大速度为50%额定速度，绞车运行至特殊路段时，显示屏会进行提示加、减速操作。

转换开关默认位置为正常位置。

c) 检修方式。

该模式下系统低速运行，对系统辅助设备进行检修维护。

3.5.9 工作方式选择
绞车提供三种运行方式：应急方式、正常模式、自检模式。

➢当绞车系统出现轻故障时，切换至应急方式，进行应急运行。

➢绞车系统故障修复后或长时间未使用时，切换至自检模式，检测系统状态。

➢系统默认运行方式为正常模式，故障修复或检修结束后，切换至正常位置。

3.5.10 旁路选择
绞车出现过卷情况时，使用旁路选择，屏蔽过卷故障反向启动绞车，退出过卷状态。

3.5.11双线冗余制
例如1：过卷保护，可以通过过卷开关、提升机行程位置来检测。

例如2：过速保护，可以通过轴编码器、检测变频频率、提升机行程位置三种方式来检测。

例如3：变频速度给定可以通过模拟量输入通道和多段速度选择端子及PLC与变频器通讯三种方式控制变频器的速度。

3.6传感器
3.6.1 轴编码器
轴编码器是测速系统的关键部件，其分辨率为2000P/R，电压DC24V。

系统配轴编码器2个，且为双通道、对码型。

一个安装在主机滚筒上，用于绞车位置的辅助控制；一个安装在辅助滚筒上，用于检测打滑故障。

编码器的信号分别送到二套S7-200PLC，以进行速度控制和监示。

3.6.2 限位开关
限位开关安装在深度指示器上或轨道沿线（安装条件允许的情况下），以供绞车位置检测用。

3.7接地及屏蔽
一、良好接地
①一般情况下，要求变频器的输入侧屏蔽接地，输出侧不接地，让电机接地。

要求变频器与电机的接地分开，不要构成回路。

接地线面积须大于2.5mm，长度在20m以内。

②接地排
接地排，等电位排都可以作为屏蔽总线使用。

接地排作为保护地，而等电位连接排作为功能地使用。

也可以将接地排象等电位连接排那样同时提供几种用途。

上面两幅照片指出屏蔽直接连接在等电位接线排上。

③中央接地排和PE导电排
多台变频器接地，可以采用中央接地排的方式。

中央接地排组和PE导电排必须接到横梁上（金属到金属联接）。

它们必须在电缆压盖处正对的附近位置。

中央接地排额外还要通过另外的电缆与保护电路（接地电极）连接。

只有这样，才能安全的释放和旁路干扰电流。

二、良好屏蔽
①屏蔽总线用于确保各个电缆的屏蔽连接可靠，可通过一个横梁实现大面积的金属到金属联接。

➢良好的屏蔽连接
如果不能将电缆直接连接到等电位连接排上，也可以通过将电缆屏蔽层与夹持型导轨连接到一起，从而实现良好的屏蔽。

➢屏蔽总线的安装
②双端屏蔽
一般情况下，屏蔽电缆都为两端接金属机壳，并确保大面积接触金属表面以便能承受高频干扰。

如果当维修和起动加电时，系统连接有外部
设备，例如打印机，编程设备，个人计算机，连
接电缆的屏蔽部件也必须双端接地。

③单端屏蔽（特殊情况）
在极少数情况下，也可以只进行一端屏蔽，例如，不带数字元件的纯模拟系统。

在一端进行屏蔽仅仅提供了对低频的静电保护，有能力耦合吸收干扰和发射。

在干扰是外部地线电位差引起时，个别情况下，即使可以将各个不同电位的元件联接到一起，从而形成等电位，这里，也可能必须联接屏蔽端子的一端到外壳地。

为了增加屏蔽的有效性，开路一端的屏蔽端可以与外壳地相连。

➢单端屏蔽的屏蔽联接
屏蔽点必须是联接部件的电气参考地。

如果联接两边（源端和接收端）都处于浮地状态，则屏蔽必须接在接收端。

如果源端和接收端两边都接地，则屏蔽必须两端都接。

④接线端子
原则上讲，只有特别设计的插头（座）和插头（座）外壳才能用于延续被中断的屏蔽。

除此之外，有些情况下，中断屏蔽联接，从电缆插头分线也是绝对必要的。

此时，在插头（接线端子）之前和之后将电缆的屏蔽层用螺钉联接的形式固定到屏蔽总线排上。

下图标示了接线端子跨线联接的基本安装方法
⑥电机电缆
屏蔽通过屏蔽夹子与屏蔽金属板连接实现
注意：不要将接线端子的连接螺钉拧得太紧，从而挤坏电缆
三、电缆安装
①电源线与信号线分开，即电源零线（中线）、地线（保护接地、系统接地）分开；
②信号电缆与电源电缆可以交叉，但绝对不要相互并行布局安装；
③信号电缆/数据电缆与功率电缆要分别排线（避免耦合路径），在电柜中的最小距离：20mm，如有必要，采用接地的隔离部件。

④相同电路（发送线和接收线）的未被屏蔽的电缆应该采用双绞线或将发送线和接收线之间的距离安排得尽量靠近一些；
⑤信号电缆和与之相连的等电位联接导体尽量安排为最短距离；
⑥信号电缆必须远离那些能产生严重的磁场干扰信号的设备，例如电机、变压器等；
⑦信号电缆，尤其是设定值和实际值电缆，安装时不能被中断。

务必要确保在中断位置的屏蔽延续；
⑧必须用金属电缆支架托住电缆，各个电缆支架连接处必须导通相连，且各个电缆支架必须接地。

四、变频器输出端不许连接电磁接触器、相位超前的电容器、避雷器。

第四章变频器参数设定4.1 整流回馈单元参数设定
4.2 逆变单元参数设定
备注：变频器出厂时，所有参数已调好，仅需将电机参数输入以让变频器识别后即可运行
第五章操作流程5.1 主回路送电
a）合660V电源开关。

b）合电抗器箱电源开关。

c）合电控箱电源开关（此时操作台电源指示灯亮）。

注意：如果系统没有问题不要停任何电源，特别是电源箱电源。

5.2 开车
➢根据实际情况，确定提升方式、工作方式、工频/变频、旁路选择等转换开关位置。

把“PLC选择”开关打到1号PLC位置，只有当1号PLC发生故障时才选择2号PLC；
➢使用向上/向下按钮翻看触摸屏画面，系统无故障情况下点击“复位”按钮显示安全回路正常，此时“急停”按钮应该在正常状态（如“急停”按钮已按下则要旋转复位而不是直接拔出）。

➢确保以上开关都合闸且触摸屏显示“安全回路正常”后点击操作台“启动”按钮，此时变频器整流回馈单元开始工作，触摸屏整流运行指示灯亮，等整流运行30秒后可以进行开车操作。

（正常情况下不要按停止，让整流回馈单元一直工作）。

➢安全回路通、整流启动运行，“主令手柄”在零位时根据信号点数确定提升方向，通过操作台上的“信号”按钮来确认开车，按一下“信号”按钮，触摸屏画面的有效时间开始计时，（有效时间30秒到后如果没有开车则要重新确认）。

确认后根据运行方向控制“主令手柄”动作，“主令手柄”前推为下放，“主令受柄”后拉为提升。

5.3 加减速、过卷
➢绞车运行时在可以推拉“主令手柄”来进行加减速，推拉时要缓慢动作。

➢绞车运行至减速点时会自动减速；
➢绞车运行时出现过卷保护，松绳保护，打滑保护时会切断安全回路自动停车，如果此时想再次运行绞车要旁路过卷并使用应急方式开车，(注意：过卷后只能反向开车，直到离开过卷点)。

5.4 停车方式
➢正常停车，将“主令手柄”缓慢减速到零位；
➢紧急情况停车，按“急停”按钮；
注：推荐停车方式为第1种方式。

5.5 参数显示及设置
人机画面可以显示绞车提升距离、减速距离、位置修正等参数，通过操作台按钮查看或修改数值。

操作台向上/向下按钮，用于人机界面翻页、参数翻阅、数值设置；
确定按钮，用于进入下一级菜单及退出。

移位按钮，调整数值时，调整数据位。

一级菜单：使用向上/向下按钮进行翻页操作
二级菜单：使用向上/向下按钮进行参数查阅操作
三级菜单：使用向上/向下按钮进行数值修改。

系统默认菜单为一级菜单，参数修正后应退至一级菜单下。

第六章故障和报警6.1 整流故障和报警
6.1.1 报警信息
6.1.2 故障信息
6.2 逆变故障和报警6.2.1 报警信息
6.2.1 故障信息
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