1、 礦井主提升機高壓變頻調速裝置 Jiaozuo Huafei Electronic & Electric Co.,Ltd.焦作華飛電子電器工業1、概述 礦山提升機是礦井生產的咽喉，對礦井的生產及平安起著非常重要的作用。 傳統大多數礦井提升機普遍使用交流繞線式電機轉子串電阻調速控制系統，上述調速方式技術落后，且運行效果差，轉子串電阻調速產生大量的能耗；占地面積大；控制電路復雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，啟動電流大，運行不平穩，噪聲大，嚴重污染環境。 淮北礦業集團公司朔里礦副井原有提升電控系統采用交流繞線式電機轉子串電阻調速控制系統,其高壓、低頻換向裝置，是70年代投入運行的，型號為

2、CG5150N/63，使用到至今，缺陷突出表現在：屬于有級調速，低速轉矩小，轉差功率大，啟動電流和電阻切換時電流沖擊大，加減速時振動大，電氣制動性能差。并存在以下問題：1朔里礦副井提升高度，根據?煤礦平安規程?第424條規定：立井罐籠提升最大速度不得超過v=0.5=7.66 m/s，原提升速度為，不符合?煤礦平安規程?規定，屬重大平安隱患。從等速段過渡到減速段的切換過程中，出現失控區；升降人員和重物下放時，易造成減速段超速，平安回路動作，緊急停車。3整個系統調速性能差，機械沖擊大。4高壓低頻換向裝置,型號為CG5150N/63，技術落后，可靠性差，噪音大；機構復雜，維護點多，工作量大。 隨著電

3、氣傳動技術,尤其是變頻調速技術的開展,單象限高壓變頻調速技術已經根本成熟。研制提升機高壓大功率四象限變頻調速裝置，使提升機在整個運行過程中實現無極變頻調速，擴大交流提升機應用范圍，提高電控裝備水平。 目前，高壓變頻裝置尚未在煤礦3m以上副井提升機上使用。我公司研制開發的HFGP型礦井提升機四象限高壓變頻調速裝置，在朔里礦副井提升機上使用，成功解決了以上問題。2、主要問題研究、目標及關鍵技術礦井提升機運行特點如下：負載變化大，運行工況復雜，系統轉動慣量大，起動轉矩大。頻繁啟停，正反轉交替運行，恒轉矩起動；調速性能平滑，范圍寬，精度高，恒轉矩低速爬行時需求速度平穩。系統保護齊全，平安可靠，符合?煤

4、礦平安規程?要求。典型礦井提升機電機速度曲線如以下圖: 從速度曲線上看，一個提升周期為70秒，分為加速、等速運行、減速、低速爬行、停機五個過程。為了滿足?煤礦平安規程?要求，必須降低等速運行的速度，要求提升機在19秒內從OHz上升到運行。又在13秒內提升機從額定轉速降到運行，提升系統轉動慣量大，減速過程中將產生80%額定功率的能量回饋。2.2 對提升機高壓變頻器的技術要求 礦山提升機是煤炭企業生產的關鍵設備，要求高壓變頻器具有極高的可靠性。特別是對于副井提升，一方面用于提升人員，另一方面負載變化大。提升機對變頻器要求有以下主要特點：1要求技術先進，可靠性高，適應惡劣的使用環境；2要求能實現四象

5、限運行，解決能量回饋，電氣減速或重物下放時變頻器將再生電能送向電網；3啟動力矩、低頻力矩、加速力矩、制動力矩有嚴格要求。 啟動轉矩2倍以上，150%額定電流以下連續運行，200%額定電流一分鐘保護。要求有完善的數字控制功能。4調速性能平滑，范圍寬，精度高，恒轉矩低速爬行時需求速度平穩，并滿足多速度等級長期運行。2.5 關鍵技術1引入單元串聯多電平高壓變頻調速技術，可以實現系統無級調速，及多速度等級平穩運行。2采用轉子帶速度反響的矢量控制技術。在轉子磁場定位坐標下電機定子電流分解成勵磁電流與轉矩電流。維持勵磁電流不變，控制轉矩電流也就控制電機轉矩。3功率單元利用IGBT進行同步整流，同步整流控制

6、器實時檢測單元電網輸入電壓，利用鎖相控制技術得到電網輸入電壓相位，控制整流逆變開關管所構成的相位與電網電壓的相位差，便可控制電功率在電網與功率單元之間的流向。矢量控制高壓變頻礦井提升機創新點主要有兩點：1在功率單元串聯高壓變頻器技術根底上，首先采用矢量控制技術，攻克了功率單元串聯的矢量控制技術這一難題，從而使得系統具有較高的動態轉矩控制性能，矢量控制技術由于實現了電機勵磁電流與轉矩電流之間的解耦，電機轉矩易于控制，因而實現了礦井提升重載起動，且與傳統提升機相比，獲得同樣的轉矩所對應的電機電流小。2實現功率單元同步整流技術，在功率單元串聯型高壓變頻器內，首先采用功率單元同步整流，解決了電網電能與

7、變頻器之間能量雙向傳遞這一技術難題，提升情形下，同步整流從電網中吸取電能通過電機將電能轉化成機械能，提升重物，快速制動或重物下降時電機處于發生電狀態，電機將機械轉換成電能注入功率單元，此時同步整流電路將注入的電功率單元輸送給電網，系統處于發電狀態實現了能量回饋這一功能。3、系統工作原理矢量控制原理 在轉子磁場定位坐標下電機定子電流分解成勵磁電流與轉矩電流。維持勵磁電流不變，控制轉矩電流也就控制電機轉矩。電機轉速采用閉環控制。實際運行中給定轉速與實際轉速的差值通過PID調節生成轉矩電流IT。經過矢量變換將IT、IM變換為電機三相給定電流Ia*、Ib*、Ic*，它們與電機運行電流相比較生成三相驅動

8、信號。控制原理框圖如圖：主電路1、隔離變壓器：隔離變壓器為輸入6000V，輸出580V的移相變壓器，為每個單元單獨提供動力電源；2、功率單元：每個功率單元是一個獨立的變頻器，即可以為電機提供變頻后的電源，有可以通過控制，實現有源逆變，能量在單元內實現雙向流動。圖為6kV系列每相六單元串聯輸入電流實錄波形，電流峰值120A，幾近完美的正弦波。圖輸入電流波形 變頻器輸出是將多個三相輸入、單相輸出的低壓功率單元串聯疊波得到。如額定輸出580VAC功率單元六個串聯時產生3450V相電壓相輸出Y接，中性點懸浮，得到驅動電機所需的可變頻三相高壓電源。以下圖為6kV變頻器系列的電壓疊加示意圖。 圖為6kV六

9、單元變頻器輸出的Uab線電壓波形實錄圖，峰值電壓為。因為電機電感的濾波效果，輸出電流波形更優于電壓波形，圖即為輸出電流Ia的實錄波形圖，峰值電流130A。電壓等級數量的增加，大大改善了變頻器的輸出性能，輸出波形幾乎接近正弦波。圖3.6 輸出線電壓波形圖3.7 輸出電流波形3.3 功率單元功率單元由功率單元本身和濾波環節組成：1、濾波環節：由Y型接法的電容和三相電抗器組成；2、功率單元本身：由快熔、緩沖環節、同步整流和有源逆變環節、直流環節、單元逆變輸出環節組成。功率單元處于同步整流狀態的波形功率單元處于有源逆變狀態的波形3.4 控制系統控制系統：1、控制器：為整個控制系統的核心局部，擔負著SP

10、WM波形的計算、輸出、單元通訊、局部信號的檢測等重要任務；2、接口板：主要負責現場開關量和模擬的輸入輸出，負責外部保護；3、人機界面：對控制器下達工作指令，顯示變頻器狀態產品特性1、變壓器由于采用36脈沖移相整流技術，因此輸入側功率因素高且波形畸變小；2、由于采用單元串聯技術，PWM移相控制，因此變頻器輸出階梯電壓波形，輸出電流諧波很小；3、因采用矢量控制技術，電機啟動轉矩大，過載能力強，能保證200%額定轉矩輸出1分鐘；4、速度閉環控制從而使得低速運行平穩；5、變頻器具備額定功率能量回饋能力，被控電機可實現急起急停。5、設備改造方案及現場試驗過程設備改造方案 全數字高壓變頻提升機電控系統，采

11、用1臺高壓變頻調速裝置構成變頻驅動系統，通過各類傳感器采集設備運行狀態信息，配合主控臺完成所有的提升工藝控制和保護功能。系統設計有變頻調速和轉子串電阻調速兩套設備，可以互相切換，以便于設備維修和提高系統可靠性。JTDK-GBP提升機電控系統對老設備改造的原理框圖主要運行方式備用運行方式現場技術參數(淮北朔里礦) 電機：6kV/630kW 減速機：11.5 滾筒：直徑3米 井深：米 最大提升速度：米 加速時間：14秒 減速時間：13秒 該套變頻調速電控系統于2006年10月3日，在朔里礦副井安裝完成。整套高壓變頻調速電控系統包括一臺新高壓開關柜、一臺新老系統切換柜、一臺電機切換柜、一套高壓變頻器

12、。為了確保平安可靠，變頻調速系統與原調速系統互為備用，隨時可以切換，新老系統均用原操作臺控制。控制系統調整情況： 朔里礦副井井筒罐道為組合罐道，絞車在正常停車位置啟動后，罐籠從穩罐道脫離穩罐道長度5米后，進入組合罐道以及罐籠在井底從組合罐道脫離進入穩罐道時，銜接時如速度過高容易產生振動以及絞車在停車時，由于閘的空行程停車瞬間對絞車也容易產生振動。為防止上述情況采用了相應方案處理。 通過操作臺PLC編程控制FX2N-4DA輸出，從而控制變頻器在整個運行過程中的運行頻率。在啟動時前4米內頻率控制為速度為；加速段頻率從，速度從，加速時間13秒；減速段頻率從，速度從降到，減速時間14秒，確保在距井底5

13、米內速度降到，接近井口1米頻率，速度降為。整個運行曲線如下：現場拍攝的速度圖如下：用變頻器的運行圖用老系統的運行圖通過以上偏移控制，絞車整體運行非常平穩。7、技術經濟分析 朔里礦副井電控系統改造成變頻調速后，克服了原系統的缺陷，具有以下優點：(1) 使交流提升機實現了無級調速，可以與直流調速性能相媲美，提高了提升機技術裝備水平。2解決了提升最大速度超標的平安隱患。(3) 有良好的調速性能，調速精度高。(4)啟動及加速過程沖擊電流小，延長設備壽命。(5)四象限運行，節電效果顯著，據實測可到達30%以上。(6)降低了運行噪聲，改善了現場環境；自動化程度高，操作簡單。 (7)變頻電控系統簡單，安裝調

14、試方便。 (8)諧波含量低，網側功率因數高。幾種調速方式的比較電阻調速缺點調速不穩耗電量大故障率高有失控區優點設備初建造價低廉幾種調速方式的比較直流12脈動優點能連續調速轉矩特性好節能性能優缺點設備繁多諧波污染功率因數電機維護幾種調速方式的比較高壓變頻高壓變頻調速方案優點能連續調速轉矩特性好節能性能優設備最少諧波污染功率因數電機維護對比內容高壓變頻 直 流 交 流（轉子串電阻）調速特性 連續 連續 有級使用維護量 小 大 大安全性能 良好 良好 差運行效果 良好 良好 差節電效果 好 好 差使用設備量 4臺 12臺 7臺建筑面積 小 大 大系統造價 適中 適中 低對比內容高壓變頻 直 流 交

15、流（轉子串電阻）外部接口 少 多 多安裝調試 易 中 復雜狀態顯示 清晰 清晰 簡單事故分析 易 中 難進線諧波 小 中 無出線諧波 小 中 無功率因數 高 低 高技術性能 高 中 低以上比照依據1、高壓變頻使用鼠籠電機，直流使用他勵式電機，交流使用繞線轉子電機。2、電機功率按1000kW選擇，電網為6000V供電，設備為常規配置。礦井提升機不同調速方案的性能比照8、結論 本高壓變頻電控系統適用于礦山交流提升機老式電控系統改造及新提升機電控系統配置，提高了礦山提升機調速控制技術和裝備水平。在高壓變頻器技術根底上，成功應用矢量控制及同步整流技術，讓系統不僅具備優越的轉矩控制性能，而且能實現大轉動

16、慣量快速制動及重物下放所帶來的大功率能量回饋。該高壓變頻調速電控系統不僅提高了礦山交流提升系統的平安性和可靠性，確保了提升機高質量運行，而且其技術性能到達國內領先、國際先進水平，實現了高轉矩、高精度、寬調速范圍驅動，是交流提升機電控系統開展的方向，經濟效益、社會效益顯著。 JTDK-GBP提升機高壓變頻電控系統構成主控臺變頻調速柜JTDK-GBP提升機高壓變頻電控系統構成系統控制部分傳動局部 控制回路采用操作臺式結構，除位置、速度、壓力、溫度、電流等必要的信號采集傳感器和終端執行設備外， 所有控制回路均裝到操作臺中。常規設計的系統中原來附設的控制柜(屏)、測速發電機、給定自整角機和凸輪板、磁放

17、大器、交流穩壓電源、后備保護、信號屏、溫度檢測儀、平安回路動作記憶、松繩煤位繼電器、反轉滑繩保護裝置等全部不再需要，大大簡化了現場設備,也減少了故障產生的幾率和維護工作量。JTDK-GBP變頻調速柜 采用單元串聯結構技術，具有AFE能量回饋特性的矢量控制型四象限變頻技術，直接驅動鼠籠電動機形成電控系統。具有類似和優于直流電動機的優良機械特性，具有接近于1的功率因數和大于95的能量轉換效率，節能效果非常顯著。不僅使提升機運行過程獲得優良條速性能，而且使用維護簡單，整機效率高，是提升機電控系統開展的方向。各功率單元全部一樣，如有故障十幾分鐘可更換好。節能統計測量時間提升勾數總耗電量單勾耗電量24小

18、時696774010.6924小時67448007.12 以該礦年產100萬噸煤計算，年可節約60萬度電33.40%現場條件 ： 1、容器裝載能力：6T有定量裝載設備； 2、車房供電單獨計量； 3、測量時間2006年10月15日8點-10月16日8點共頻運行， 2006年10月13日8點-10月14日8點變頻運行。電機型號：YR143-39-12電機功率：630KW電機電壓：6000V電機電流：繞線轉子電動機動力制動GBP系列高壓變頻器節能比較焦作局九里山礦主井設備運行效果 5、改善提升機運行的平安性：用于礦井提升工況時下能有效消除減速失控區，消除了因失控區存在引起超速造成的不平安隱患。2、連續平穩調速：使用變頻調速后，整個運行過程實現無極調速。6、設備使用現場維護工作簡單換單元5分鐘、控制器15分鐘1、傳動設備從6臺減少到2臺，最大程度的簡化了現場,降低綜合造價(基建+設備+維護)。4、低速大轉矩、能量回饋效率高，節電大于30%，設備運行本錢低。3、輸出正弦性好，對電動機和電纜長度無要求JTDK-GBP提升機高壓變頻器電控裝置的主要優點6、用低壓功率器件形成高壓變頻調速設備 2、高質量電源輸入和完美的輸出性能，滿足國家電網的要求。 輸入功率