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高压变频器在内蒙古煤矿提升绞车上的应用

2016-05-03 17:10:00

The Application of High Voltage Inverter in the Colliery Hoist in Neimenggu
    新风光电子科技股份有限公司  郭金星  郭培彬  刘清平
Guo Jinxing   Guo Peibin   Liu Qingping

 
摘  要:变频改造是煤矿提升系统节能的主要手段之一。本文介绍了风光高压变频器在内蒙古某煤矿提升机上的应用情况。
关键词:高压提升变频调速系统  煤矿提升机  改造
Abstract: The frequency conversion transformation is one of coal mine promotion system energy conservation main methods.This article briefes the application on mine elevator of the Fengguang brand high-voltage inverter in Neimenggu coal mine .
Key words: The system of high voltage lifter inverter   Coal mine hoist   Transformation
1 引言
在矿井的各动力设备中,提升机系统是最为重要、耗能最大的设备。提升机运行的可靠性直接影响矿井的产能和人员、设备升降井速度,直接关系到矿井的安全生产水平;同时提升机的调速方式也是对吨煤电耗水平影响最大的因素。
长期以来,矿用提升机普遍使用绕线式异步电机转子串电阻的方法进行调速控制。该方法成本较低,但转矩脉动大,电机电流大,能耗高,且转子串电阻调速控制电路复杂,接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏,影响企业安全生产水平。随着电力电子与电机控制技术的发展,采用变频调速的方法可以从根本上解决上述问题。
2 普通高压变频器与风光高压提升机变频器的差异
2.1普通高压变频器
通用变频器大都为电压型交-直-交变频器,三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电,再经电解电容滤波稳压,最后经逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。
但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统,如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行,当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时,电机处于再生发电状态。由于二极管不控整流器能量传输不可逆,产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上,产生泵升电压。而以IGBT为代表的全控型器件耐压较低,过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容,甚至会破坏电机的绝缘,从而威胁系统安全工作,这就限制了通用变频器的应用范围。
2.2风光高压提升机变频器
为解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量,国内在中小容量系统中大都采用能耗制动方式,即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中,实现电机的四象限运行,该方法虽然简单,但缺点是显而易见的: (1)浪费能量,降低了系统的效率;(2)电阻发热严重,影响系统的其他部分正常工作;(3)简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压,限制了制动性能的提高。
为了实现电机的四象限运行,并克服传统制动方法的并联电阻消耗能量造成的浪费,新风光率先研制了提升机变频调速系统,在变频器整流电路中采用自关断器件进行PWM控制,使能量双向流动,使电机四象限运行;使电机很快达到速度要求,动态响应快。产品填补国内空白。
风光JD-BP37-T系列高性能高压变频调速产品,以高速DSP(TMS320F2812)为控制核心,结合矢量控制技术,融合了能量回馈技术,以及IGBT大电流驱动技术,是新一代高性能完美无谐波高压变频调速产品的典型代表。矢量控制功能使得异步电机启动转矩大,动态转矩响应好,调速精度高。能量回馈技术的应用,使得功率单元串联型高压变频器具备了四象限运行能力,能量可以在电网和电机之间双向流动。矢量控制技术原理如图1所示。
 

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图1 矢量控制技术原理框图
高压提升机变频器功率单元原理如图2所示,高压提升机变频器能够进行能量回馈,功率单元硬件上相对普通高压变频器将输入整流二极管更换为IGBT,控制上采用双PWM整流,实现了能量双向流动。

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图2 高压提升机变频器功率单元原理框图
风光高压提升机变频器在工作中具有以下特点:
①当电机处于拖动状态时,能量由交流电网经整流器中间滤波电容充电,逆变器在PWM控制下将能量传送到电机。
②当电机进入发电状态,其再生能量经逆变器的续流二极管向中间滤波电容充电,使中间直流电压升高,此时在PWM控制下将能量回馈到交流电网,完成能量的双向流动。
由于PWM整流器闭环控制作用,使电网电流与电压同频同相位,提高了系统的功率因数,消除了网侧谐波污染。其优点是制动力矩大,调速范围宽,动态性能好。
风光高压提升机变频器回馈电流和电网电压波形如图3所示。
 
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图3 回馈电流和电网电压波形
能量传递过程如图4所示。
    
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图4 能量传递过程示意图
风光高压提升机变频器除具有普通高压变频器的功能外,还针对绞车控制,具有以下突出特点:
(1)电源输入励磁涌流限制技术:该技术使得系统在每次上高压电时的冲击电流小,对电网的冲击也很小。
(2)系统断电自动保护技术:确保任何情况下系统都能安全运行。如果没有:提升机重载下放过程中,遇到系统停电时,会造成单元损坏甚至整个系统瘫痪。
(3)变频装置为直接高-高结构,直接6kV/10kV输入,直接6kV/10kV输出,可以直接安装使用,不需要对系统进行任何改造。
(4)功率单元自动旁路技术:在提升机运行过程中,意外出现一个或几个功率单元故障时,系统可以自动将故障单元旁路,系统进入星点偏移控制,保持输出的线电压平衡,同时保持最大输出转矩、电压,完成本次提升任务。
(5)独立的控制电源技术:系统在不上高压电的情况下可以检测系统各个关键点的波形和调试、培训等,方便用户自行检修和维护。
(6)空载低损耗控制技术: 变频系统在待机状态下,空载损耗小,经实测比通用技术产品要低2~3倍。
(7)采用矢量控制技术,电机可四象限运行,具有不施闸悬停和力矩预置技术。
(8)承诺可以现场进行试验:1~2个单元故障可以旁路,完成一个提升循环。提升机满载、全速提升和下放电源停电试验,确保变频器不损坏。
(9)风光变频器单元内电解电容因采取了本公司的专利技术(专利号ZL 2003 2 017356.2),可以将其使用寿命提高一倍。
(10)提升机变频器具有回馈制动、直流制动、安全制动和动力制动等多项制动方式,保证了绞车可靠运行。
(11)具有完备的与电控系统对接的各个接口,实现与电控系统无缝连接。
3风光高压提升机变频器品质保证措施
为提高可靠性,风光高压提升机变频器采取了以下措施:
3.1设计及工艺保证措施
(1)冗余技术
这包括器件冗余(电压冗余、电流冗余等)、电路冗余、单元冗余等等。
(2)改进吸收电路设计,减小IGBT的电压、电流应力。
(3)低温升设计
功率器件、电解电容使用寿命和工作温度密切相关,一般给出80℃时的工作寿命,温度每升高10℃寿命约降低一半,每下降10℃寿命增加一倍。尽可能地降低整机温升,将会大幅度提高整机可靠性。
(4)抗干扰设计
要保证整机高可靠性运行,应最大限度的提高整机抗干扰性能,主要从以下几方面着手:结构设计(屏蔽、接地隔离等措施)、工艺设计(排板、布线等尽可能合理)、电源设计(控制电源应良好净化,避免从电源引入干扰)、电路设计、软件设计、制造工艺等等。
(5)高温老化试验、步入式高低温交变湿热试验、电磁兼容试验等试验手段齐全,可通过此试验可检杳出不良品或不良件,充分提高生产效率和产品品质。
3.2实验手段保证
新风光电子公司高压提升机试验系统是目前国内同行业设计最先进、实验能力最强大的提升机产品试验平台。实验平台由国家配变电实验中心——天津电气传动研究所设计。该实验系统能够满足提升机变频器的各种实验要求,真实模拟绞车提升机现场各种工况,是风光高压提升机变频器品质的有力保证。
每台风光高压提升机变频出厂前除与普通高压变频进行正常的检验、实验等外,还单独进真实的现场模拟试验,真正做到四象限运行。在真实的现场模拟试验中,主要试验的项目有低频带载提升、起动时的直流制动、外部故障时的急停、单元故障时的星点偏移、高速下放时的回馈制动、与电控接口的逻辑等各项试验。
4用户情况介绍
内蒙古某煤矿,是一座年设计生产能力为1500万吨的现代化煤炭企业集团,矿井设计采用立井开拓方式,布置两个大采高综采工作面,被列为国家煤炭工业“十二五”规划开工建设的项目。该矿副井提升电控系统采用交流绕线式电机转子串电阻调速,转子串电阻调速属有级调速,调速范围受限,调速精度低,在减速时和下放重物时,浪费了大量的电能。具体来说有以下缺点:
(1)大量的电能消耗在转差电阻上,造成了严重的能源浪费。
(2)控制系统复杂,导致系统的故障率高,接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏,维护工作量很大,直接影响了生产效率。
(3)低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制,特别是在负载发生变化时,很难实现减速控制,导致调速不连续、速度控制性能较差。
(4)启动和换档冲击电流大,造成了很大的机械冲击,导致电机的使用寿命大大降低,而且极容易出现“掉道”现象。
(5)自动化程度不高,增加了开采成本,影响了产量。
(6)低速段的启动力矩小,机械特性比较软,带负载能力差,无法实现恒转矩提升。
矿领导经过研究,决定改造副井提升机加装变频器,同时保留原控制系统,使两套系统互为备用,增加系统运行的可靠性。变频器选用的是新风光电子科技股份有限公司生产的JD-BP37-1400T(1400kW/6kV)高压提升机变频器,改造取得了成功。
提升机参数如表1、拖动电机参数表2所示。
矿机提升机参数如表1所示。 拖动电机参数如表2所示。    

 
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风光高压提升机变频器具体参数如表3所示。 

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5改造主回路方案
为了确保安全可靠,让变频调速系统与原调速系统并存,互为备用,随时可以切换。改造系统控制思路如图5所示。
  
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图5  工、变频系统切换控制
高压提升机变频器是整个改造系统的一个核心部分,它具有与电控系统相适配的各种接口。配合自动控制的操作台运行时,电控台向变频器发出“正转运行”、“反转运行”和“变频急停”三路开关量信号,以及一路4~20mA“给定转速”信号。变频器向电控台发出“变频器待机”、“变频器故障”和“安全回路”三路开关量信号,以及用于显示的模拟量输出信号。电控台控制高压断路器分、合闸,分别连入相应的控制回路中。绞车上安装的轴编码器向电控台发出电机转速及绞车位置信号。电控台接受绞车司机的操作指令。
整个提升机系统中设有深度指示失效、限速、过卷、反转、制动油过压、闸瓦磨损、松绳、速度监视、制动油超温、润滑油超压欠压、变频器的轻重故障等保护功能。系统能根据故障性质做出响应,必要时实施紧急制动,确保设备及人员的安全。
主回路改造原理如图6所示:

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                           图6  主回路改造图
    图6中K1、K2、K3为三台高压隔离开关,为了确保不向变频器输出端反送电,K1、K3与K2采用电磁互锁操动机构,实现电磁和机械互锁。K4为转子侧双掷开关,变频运行时,K4切换到变频侧,绕线电机转子线圈经双掷开关K4后处于短接状态;工频运行时,K4切换到工频侧,绕线电机转子线圈经K4接至原调速电阻装置。当K1、K3闭合,K2断开,K4切换到变频侧,电机变频运行;当K1、K3断开,K2闭合,K4切换到工频侧,电机工频运行,此时变频器从高压中隔离出来,便于检修、维护和调试。另外,为了保证安全,变频器高压连跳信号和上一级的高压断路器也实现互锁,变频器高压连跳串入上一级高压断路器的脱扣线圈,变频器出现故障时,上一级的高压断路器断开,实现高压故障连跳功能。
6现场变频调试运行情况
2015年8月,高压提升机变频器安装就位后,开始安装、调试变频器。根据现场工况情况,把变频器工作方式设置为无旋转编码器矢量控制工作方式,同时把电动机的工作参数进行设置,然后带空电动机进行运行,查看变频器的工作情况与理论工作曲线进行比较后再次调整电机设置参数,使实际运行曲线与理论曲线达到一致,最后带滚筒对参数进行微调。
为了验证变频器的带载能力,提升机罐笼装满沙石料(超过额定负载量),变频器运行在1.5Hz,输入电流在18.5A,输出电流达到206A(电动机额定电流143A),罐笼缓慢的提升,运行平稳;为了验证下放回馈能力,现场把正常工作使用的伞钻作为重物进行试验(伞钻重量为13吨),下放运行频率1.5Hz,输出电流100A,输入电流12A,变频器回馈工作正常。变频改造后,实现了提升机加减速过程的平稳控制,运行过程缆绳摆幅明显减小,人员升降舒适性明显提高,电动机启动电流与启动时振动显著降低;省去了转子串电阻造成的能耗,具有十分明显的节能效果。经过实测,变频改造后,在提升产量相同的情况下,变频运行时比工频节能20%以上。
7结束语
风光高压提升机变频器在煤矿提升机转子串电阻电控系统改造中,不仅提高了提升系统的安全性和可靠性,而且大大减低了维护费用,节能效果明显,实现了高转矩、高精度、宽调速范围驱动,是交流提升机电控系统发展的方向,应用前景广阔。
 
参考文献
[1]新风光电子使用手册[Z] 新风光电子科技股份有限公司

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