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高壓變頻器在煤礦提升機的應用

2017-09-13 10:37:08 點擊數:

1、引言

  煤礦因生產的特殊性,礦山提升機是礦山生產的至關重要的大型設備,對礦井的生產及安全起著非常重要的作用。因此,它的電氣傳動及控制裝置一直是各國傳動界的一個重要研究領域。以前大多數礦井提升機采用繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻的交流調速系統,當前投產的大、中型礦井的提升機多數采用磁場換向的晶閘管直流可逆調速系統, 上述調速方式技術落后,且運行效果很不理想,直流電動機由于其結構的復雜,運行過程中帶來高昂的維護費用。而采用全數字變頻調速技術的現代交流調速系統代表礦井提升機技術的先進水平。

  目前礦用提升機普遍使用高壓(6KV)交流繞線式電機轉子串電阻調速控制系統。提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差,特別在負載變動時很難實現恒減速控制,經常會造成過放和過卷事故;提升機頻繁的啟動和制動工作過程會使轉子串電阻調速產生相當嚴重的能耗;轉子串電阻調速控制電路復雜,接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞,影響生產效益。針對串電阻調速系統的這些問題,本文介紹高壓變頻器在提升機調速系統中的應用。高壓變頻器的調速控制可以實現提升機的恒加速和恒減速控制,能很好地防止提升機過卷和過放事故發生;高壓變頻器的的調速還可以實現電動機的軟啟動,取除了轉子串電阻造成的能耗,具有十分明顯的節能降耗的效果;高壓變頻器調速控制電路簡單,克服了接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞的缺點,降低了故障和事故的發生。
    高壓變頻器靈活的調速控制便于實現提升機的多段速控制,能防止叉道和彎道脫軌事故。因此,高壓變頻器在提升機調速系統中的應用有十分廣闊的前景。

二、高壓變頻電控系統的構成

    6kV提升機變頻電控系統的構成主要有高壓變頻器、主控臺及其他附件。

1、高壓變頻器。HFGP型高壓變頻器系統由移相變壓器、功率單元和控制器組成。

1.1高壓提升變頻調速器采用最新型IGBT為主控器件,全數字化,彩色液晶觸摸屏控制,以高可靠性、易操作、高性能為設計目標的優質變頻調速器,采用先進的矢量控制變頻調速技術完成提升機的四象限運行,用于鼠籠式電機或繞線式轉子串電阻電機控制,即可用于新礦井安裝,也可用于老礦井改造。采用若干個低壓逆變器功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出,所用的6kv高壓提升變頻器,變壓器有18組付邊繞組,分為6個功率單元∕相,三相共18個單元,采用36脈沖整流,輸入端的諧波成分遠低于國標規定 ,高壓提升變頻器系統結構如圖1所示。

 

 

1.2功率單元

  功率單元原理見圖2,輸入電源端R、S、T接變壓器二次線圈的三相低壓輸出,三相二極管全波整流為直流環節電容充電,電容上的電壓提供給由IGBT組成的單相H形橋式逆變電路。

  功率單元通過光纖接收信號,采用矢量正弦波脈寬調制(PWM)方式,控制Q1~Q4IGBT的導通和關斷,輸出單相脈寬調制波形。每個單元僅有三種可能的輸出電壓狀態,當Q1和Q4導通時,L1和L2的輸出電壓狀態為1;當Q2和Q3導通時,L1和L2的輸出電壓狀態為-1;當Q1和Q3或者Q2和Q4導通時,L1和L2的輸出電壓狀態為0。輸出電壓波形見圖2.4。功率單元具有有源逆變能量回饋功能,當電機處于制動狀態,電容器上的直流電壓達到有源逆變啟動的門檻電壓時,電源自動啟動有源逆變,將電機及其負載的機械能轉化為電能,回饋到電網中去。

1.3輸入側結構
  輸入側由移相變壓器給每個單元供電,每個功率單元都承受電機電流、1/6的相電壓、1/18的輸出功率。18個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法,目的是實現多重化,降低輸入電流的諧波成分。

 

 

  功率單元通過光纖接收信號,采用矢量正弦波脈寬調制(PWM)方式,控制Q1~Q4IGBT的導通和關斷,輸出單相脈寬調制波形。每個單元僅有三種可能的輸出電壓狀態,當Q1和Q4導通時,L1和L2的輸出電壓狀態為1;當Q2和Q3導通時,L1和L2的輸出電壓狀態為-1;當Q1和Q3或者Q2和Q4導通時,L1和L2的輸出電壓狀態為0。輸出電壓波形見圖2.4。功率單元具有有源逆變能量回饋功能,當電機處于制動狀態,電容器上的直流電壓達到有源逆變啟動的門檻電壓時,電源自動啟動有源逆變,將電機及其負載的機械能轉化為電能,回饋到電網中去。

1.3輸入側結構
  輸入側由移相變壓器給每個單元供電,每個功率單元都承受電機電流、1/6的相電壓、1/18的輸出功率。18個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法,目的是實現多重化,降低輸入電流的諧波成分。

1.4輸出側結構
  輸出側由每個單元的L1、L2輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電,如圖4所示,通過對每個單元的PWM波形進行重組,可得到如圖5所示的階梯PWM波形和圖6所示的電流波形。這種波形正弦度好,可減少對電纜和電機的絕緣損壞,電機不需要降額使用,可直接用于舊設備的改造;同時,電機的諧波損耗大大減少,消除了由此引起的機械振動,減小了軸承的機械內應力和電疲勞現象。

 

 

  高壓變頻器功能參數設置方便快捷,為用戶提供友好的全中文操作界面,簡單易懂。高壓變頻器具有與電控系統相匹配的各種接口。它接受電控系統的操作命令,包括開停機、正反轉、抱閘信號及速度命令,按照操作命令執行。同時它又將運行狀態,包括工作頻率、電機電流、電壓、故障信息隨時送給電控系統。變頻器本身又將工作信息及工作狀態自動記錄以備查閱。

2、操作臺。操作臺上設有各種工況顯示設備,以彩色液晶顯示屏為主要顯示設備??梢杂^察PLC運行情況、各外部接點的動作狀態、各模擬量回路狀態等,更加方便維修工作。同時還具有必要的開關量、模擬量的數字顯示,可以獨立提供必要的提升數據。其中包括安全回路指示燈、數字顯示液壓表、減速及故障聲光報警顯示、電壓和電流表等。

三、提升機高壓變頻調速電控系統電氣保護 

  本電控系統的保護設置包含了煤礦安全規程規定的各項保護,還可以根據現場情況增加各種保護。
    1.立即安全制動故障。該類故障綜合在硬軟件安全電路中,安全電路正常時吸合,有緊急故障時釋放,一旦安全電路釋放,就會立即封鎖變頻器、跳制動油泵,并控制油壓系統電磁閥實施安全制動、抱安全閘。主要安全制動故障有:(1)轉動系統故障。如主回路和控制回路電源故障,主電機過熱、堵轉,變頻器故障等;(2)過卷故障;(3)超速故障。如等速、超速、減速段定點超速和連續超速等;(4)緊急故障;(5)液壓制動系統故障。如制動油泵跳,系統油壓高等;(6)錯向;(7)測速軸編碼器斷線;(8)松繩故障。
    2.先電氣制動、后安全制動故障。這類故障發生后,轉動系統會自動進行減速,當速度降到爬行速度時會立即轉為緊急制動這類故障主要有事故停車和閘瓦磨損。
    3.完成本次開車后,不允許再次開車故障。開車前如出現這類故障,則開不起車;如在運行過程中出現,則允許本次開車完成,但不允許下次開車,除非故障解除。這類故障主要有電機過熱報警、液壓站油溫過高等。

四、使用變頻器后較原電控系統有以下優點

  1、變頻系統無需原電控調速用的交流接觸器及調速電阻,提高了系統的可靠性,改善了操作人員的工作環境,使噪音及室溫降低。

  2、調速連續方便,連續平滑調節。

  3、實現了低頻低壓的軟啟動和軟停止,使運行更加平穩,機械沖擊小。

  4、啟動及加速過程沖擊電流小,加速過程中最大電流不超過1.3倍的額定電流,提升機在重載下從低速平穩無級平滑的升至高速,沒有大電流出現,減小了對電網的沖擊。

  5、增加了直流制動功能,使重車停車時更加平穩,有效避免了“溜溝”現象。

  6、采用回饋制動技術,成功地解決了位能負載的再生發電能量處理問題,保證了變頻器的安全運行。

  7、節能效果顯著。據實測可達到35%以上。

  8、采用變頻控制后,原繞線式電機可改為普通電機,這不但降低了成本,普通電機比繞線式電機可節約投資1/3,而且電機維護方面,避免了轉子炭刷的燒損及維護。

五、結束語
    6kV提升機高壓變頻電控系統投入工業運行,設備運行良好、工作可靠、大大提高了系統的安全性能、降低了電耗及維護費用、減低了提升機運行時的噪聲、減少了設備安裝空間、實現了提升機安全高效運行的目的。
    提升機高壓變頻電控系統具有控制性能優良、操作簡便、運行效率高、維護工作量小等諸多優點,隨著變頻技術的日益成熟與能源節約要求的必然趨勢,它正成為礦山提升機傳動的發展方向。若在全國煤礦提升機上推廣,經濟效益更加可觀。 

 

 

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