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高压变频器在矿井提升机上的应用

1 引言

  矿井提升机是一种大型提升机械设备。由电机带动机械设备,以带动钢丝绳从而拉动容器在井筒中或者斜坡上运行,完成输送任务。现代的矿井提升机提升量大,速度高,安全性高,已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。

  提升机无论正转、反转其工作过程是相同的,都有起动、加速、中速运行、稳定运行、减速、低速运行、制动停车等七个阶段。每提升一次运行的时间,与系统的运行速度,加速度及斜井或竖井的深度有关,各段加速度的大小,根据工艺情况确定,运行的时间由操作工人根据现场的状况自定。

  目前大部分大中型煤矿的矿井提升机都是采用绕线式电机转子串电阻的方法进行分段有级调速控制。其基本原理是:当绕线式异步电动机转子串入附加电阻后,电动机的转差率加大,电动机在较低的转速下运行,串入的电阻越大,电动机的转速越低。此方法的优点是设备简单,控制方便;但缺点是转差功率以发热的形式消耗在电阻上,且此方法属于有级调速,机械特性较软。在实际应用时电阻的投切采用继电器交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁,设备运行的时间较长,交流接触器主触头易熔化,引发设备故障。另外,由于是有级调速,提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差,经常会造成停车位置不准确。提升机频繁的起动﹑调速和制动,在转子外电路所串电阻的上产生相当大的功耗,造成了能源的大量浪费。起动和调速换挡过程中电流冲击大;中高速运行震动大,安全性较差。所以对于安全和稳定性要求较高的矿山型企业来说,这种调速方法将很快被淘汰。

  高压变频调速技术,特别是能量回馈技术的高速发展为矿井提升机的调速和节能改造创造了条件。变频调速可实现0~50hz全范围恒转矩无级调速,且下放重物时电机的再生能量可以直接反馈至电网。如采用矢量控制还可实现静态大转矩的软启动,对于竖井式的提升设备也能实现快速提升、下放及瞬间的加减速。

  恒鼎实业国际发展有限公司是集煤炭开采、洗选、炼焦为一体的综合型煤炭企业,于2007 年9月在联合交易所主板上市,是中国第一家在境外主要资本市场ipo上市的能源型民营企业。近几年来恒鼎实业公司积极响应国家节能降耗政策,已对旗下大部分煤矿的矿井提升机进行变频改造。恒鼎实业贵州盘县几大煤矿采用北京利德华福电气技术有限公司的fva型变频器共7台,对矿井提升机设备进行改造,实践证明,使用变频调速后提升机运行的稳定性和安全性大大提高,减少了运行故障和停工检修工时,节省了人力和物力,提高了运煤能力,直接和间接的经济效益也很可观。

2 工程概况

  盘县乐民洪兴煤矿位于六盘水市盘县乐民镇境内,矿井井田面积1.7km2,矿区可采煤层保有资源量4430万t,设计可采资源储量2367万t,矿井设计产量60万t/年。此井为斜井,主要用于井下材料和物质输送,斜井总长约1km,坡度25o,竖直深度约420m。该井采用单卷筒单绳缠绕式绞车。现场的工艺工况如图1所示。

  变频器直接取用10kv高压电经变频后输出给电机,电机输出轴经过减速机构减速后驱动卷筒旋转,从而带动缠绕在卷筒上的钢丝绳上拉或下放小车。变频器提供本地(通过人机界面)操作和远程(通过操作台)控制两种控制方式。操作台通过其两个手柄的推拉分别实现对液压系统的控制及变频器的频率给定和启停操作,从而最终实现对绞车的松闸、制动和小车运行速度的精准调节。

  主体设备由以下几个部分组成:

  (1)北京利德华福公司提供的高压变频调速系统

  主要参数如下:

  型号:harsvert-fva10/030,能量回馈型矢量控制高压变频器;

  额定电压:10kv;

  额定电流:30a。

  (2)佳木斯电机厂生产的高压电机

  主要参数如下:

  型号:y4507-6;

  额定电压:10kv;

  额定电流:23.9a;

  电机极数:6极;

  额定转速:989r/min。

  (3)贵州高原矿山机械有限公司生产的卷筒、减速机构、液压和电控系统

  主要参数如下:

  型号:jk-2.52.0p;

  卷筒直径:2.5m;

  最大提升速度:3m/s;

  滚筒容绳量:2km。

  除以上设备外还有深度指示系统和润滑系统。

  润滑站用于对减速机构的润滑,深度指示系统通过传动杆与卷筒的滚动轴相连,用于提供小车在井下运行时与地面的相对位置传输给操作台,以便于设置加减速时间点和保护逻辑。液压系统由液压站和液压闸阀组成。液压泵站驱动位于滚筒前后左右共4组16个液压闸阀,每个闸阀与刹车片相连,以用于紧急抱闸和松闸。变频器、液压系统的i/o点及其他所有辅助系统的状态信号均送至操作台上的plc,plc与操作台上的触摸屏使用modbus通信,以便于状态监控和参数设置。操作台上的控制按钮及手柄用于绞车运行的手、自动切换及开、停车操作。

3 高压变频调速技术

  3.1四象限变频器

  对于变频器来说,定义电机的运行象限为变频器的运行象限,以电机的转矩为横轴,转速为纵轴,建立平面直角坐标系,如图2所示。

  当电机的输出转矩与电机转向相同时,如电机拖动风机、水泵、压缩机、带轮等稳态或加速运行,或拖动提升机提升重物时,电机运行在电动机方式下,变频器从电网获取有功功率并输出给电机,变频器运行方式在能量输出状态下,即处于第一、三象限。而当电机输出的转矩与电机转向相反时,如电机拖动风机等轴负载减速制动运行,或者电机拖动绞车下放重物时,电机运行在发电机方式下,变频器将从电机获取有功功率并回馈至电网,变频器运行于第二、四象限,处于能量回馈状态。

  普通的变频器电网侧采用二极管不可控整流或者半可控整流,仅能工作在第一和第三象限,称为两象限变频器;如果电网侧采用全可控整流的话,则可以使变频器工作在4个象限,则这种变频器称为四象限变频器或能量回馈型变频器。

  在提升机上使用能量回馈型变频器,在停车或下放重物时,变频器可以驱动电机输出制动力矩,从而不仅可以实现快速制动(50hz停车只需10s),还可将负载的动能转化成电能直接回馈于电网。

  3.2能量回馈的基本原理

  电压源型能量回馈变频器的基本拓扑结构如图3所示。

  图3中,网侧逆变器称为有源前端,负责控制变频器与电网之间的能量交换;电抗器为电网与变频器之间的能量流动提供条件,并限制网侧逆变器电流;网侧滤波器用于吸收网侧逆变器发出的谐波电流,阻止其注入电网。

  将上述结构进行简化,将网侧逆变器等效为一可控电压源,将电网与滤波器等效于一个理想电压源,设电网电压角频率为,有效值为e,相位为0;网侧逆变器输出有效电压有效值为u,相位为,电感大小为l则:

  此可知,通过调整网侧逆变器的输出电压u的幅值和相位来调节变频器与电网之间的有功和无功交换:当u滞后e时,》0,p》0,变频器从电网吸收有功功率;当u超前e时,《0,p《0,变频器向电网回馈有功功率,即处于能力回馈状态;当ucose时,变频器向电网发出感性无功功率;当ucos=e时,变频器网侧功率因数为1。

  综上所述,只需精确控制变频器网侧逆变器的输出电压,即可控制其有功功率和无功功率的大小和流向,实现能量回馈。实际控制上往往通过控制电感上的电流来控制变频器与电网间的功率交换。

  3.3能量回馈的实现

  目前国内大部分变频器均采用单元串联多电平的方式,带能量回馈的拓扑结构与非能量回馈的拓扑类似,其区别在于每个功率单元内,将原有的二极管不可控整流桥改为igbt逆变桥,如图4、图5所示。此外,为了滤除网侧逆变器产生的开关频率高次谐波电流,阻止其注入电网,在输入侧增加了一组网侧滤波器。

  为了控制各个功率单元的直流母线电压,在每个功率单元内设置单独的控制器,执行网侧逆变器的矢量控制算法,当变频器由能量输出状态转入能量回馈状态时,有功功率从电机流入变频器,造成每个功率单元的直流母线电压上升。各个功率单元内的控制器检测到这一上升电压后,将从电网流向功率单元的有功电流给定值减小至一负数,这个时候主控制器会预先通过程序锁定电网电压的幅值、相位和频率,然后使功率单元的网侧逆变器输出pwm波,各个功率单元产生的pwm波通过叠加后形成与电网相适应的正弦波电压和相位,再向电网回馈有功功率。

4 节能效果明显

  在工频运行时,电机需要5~7倍的启动电流,而在变频器运行时,电机可在零速、零电压启动(当然可以适当提高转矩提升),采用矢量控制,启动时动态转矩最大为150%的额定转矩,可带全负载起动。

  变频器在制动中,由于负载下降时,电机转速随频率而下降,这是由制动产生的功率能量(势能)通过网侧逆变器回馈到电网中。还有电机在刹车停车时,电机的惯性作用所发生的能量(势能)也能变成再生能源,回馈到电网中重新利用。所以,使用变频器节能效果明显。

5 结束语

  矢量控制技术实现了大转矩、小电流启动和转速及转矩的精准调节,而能量回馈技术则使变频器的节能功效进一步优化。因为传统的变频调速节能只是在满足现场工艺的条件下,将阀门或挡板节流所产生的能量损失减少,而能量回馈则还将电机在二、四象限运行时处于发电机状态下的再生能量直接回馈至电网。不仅不会产生像转子串电阻或能耗制动方式那样将不可用或再生的电能以电阻发热的形式消耗掉的情况,而且还将这部分能量得以利用,从而使变频器的节能效果更加明显。

  煤矿生产也是一个高耗能行业,现代的大型电动机械代替了传统的人工开掘方式。皮带机、提升机、瓦斯抽排风机、主扇风机的容量逐渐变大,高压大功率电机的应用进一步推广。而在现有的工艺条件下实现大幅度的节能降耗将成为企业长期生存下去的必要条件。

  高压变频技术的迅速发展为煤矿行业的节能降耗提供了一个非常有利的契机。利德华福公司依托清华大学的学术优势,拥有10多年的技术和经验沉淀,矢量控制能量回馈型变频器的大力推广将为煤炭等矿山型企业的节能降耗提供强有力的技术支持和保障。

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