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1 用戶(hù)情況介紹

陜西某煤礦年生產(chǎn)能力為1500萬(wàn)噸，提升絞車(chē)采用雙軸驅動(dòng)提升，該提升電控系統采用交流繞線(xiàn)式電機轉子串電阻調速，轉子串電阻調速屬有級調速，調速范圍受限，調速精度低，在減速時(shí)和下放重物時(shí)，浪費了大量的電能。

提升機采用繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機拖動(dòng)，電機的調速方式采用傳統的串電阻調速方式，該調速方式屬于落后技術(shù)，存在以下缺點(diǎn)：
(1)大量的電能消耗在轉差電阻上，造成了嚴重的能源浪費。
(2)控制系統復雜，導致系統的故障率高，接觸器、電阻器、繞線(xiàn)電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。
(3)低速和爬行階段需要依靠制動(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時(shí)，很難實(shí)現減速控制，導致調速不連續、速度控制性能較差。
(4)啟動(dòng)和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現“掉道”現象。
(5)自動(dòng)化程度不高，增加了開(kāi)采成本，影響了產(chǎn)量。
(6)低速段的啟動(dòng)力矩小，機械特性比較軟，帶負載能力差，無(wú)法實(shí)現恒轉矩提升。

為了提升煤礦提升電控的控制水平，降低損耗，國家出臺了相關(guān)政策，要求煤礦上繞線(xiàn)式電機必須進(jìn)行改造，采用變頻控制進(jìn)行拖動(dòng)煤礦提升絞車(chē)。

礦領(lǐng)導經(jīng)過(guò)研究對比考察，決定選用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-1400T（1400kW/6kV）高壓提升機變頻器2臺，分別控制提升絞車(chē)的兩臺電機，改造取得了成功。
該煤礦礦井提升機兩臺拖動(dòng)電機參數表1。風(fēng)光高壓提升機變頻器具體參數如表2所示。設備現場(chǎng)如圖1所示。

圖1提升機現場(chǎng)設備圖

2風(fēng)光高壓提升機變頻器性能特點(diǎn)

為解決電動(dòng)機處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，國內在中小容量系統中大都采用能耗制動(dòng)方式，即通過(guò)內置或外加制動(dòng)電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實(shí)現電機的四象限運行，該方法雖然簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的： (1)浪費能量，降低了系統的效率；(2)電阻發(fā)熱嚴重，影響系統的其他部分正常工作；(3)簡(jiǎn)單的能耗制動(dòng)有時(shí)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動(dòng)性能的提高。

為了實(shí)現電機的四象限運行，并克服傳統制動(dòng)方法的并聯(lián)電阻消耗能量造成的浪費，新風(fēng)光率先研制了提升機變頻調速系統，在變頻器整流電路中采用自關(guān)斷器件進(jìn)行PWM控制，使能量雙向流動(dòng)，使電機四象限運行；使電機很快達到速度要求，動(dòng)態(tài)響應快。
風(fēng)光JD-BP37-T系列高性能高壓變頻調速產(chǎn)品，在以高速DSP（TMS320F2812）為控制核心，結合無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)，融合了能量回饋技術(shù)，以及IGBT大電流驅動(dòng)技術(shù)，是新一代高性能完美無(wú)諧波高壓變頻調速產(chǎn)品的典型代表。矢量控制功能使得異步電機啟動(dòng)轉矩大，動(dòng)態(tài)轉矩響應好，調速精度高。能量回饋技術(shù)的應用，使得功率單元串聯(lián)型高壓變頻器具備了四象限運行能力，能量可以在電網(wǎng)和電機之間雙向流動(dòng)。

風(fēng)光高壓提升機變頻器在工作中具有以下特點(diǎn)：
①當電機處于拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量由交流電網(wǎng)經(jīng)整流器中間濾波電容充電，逆變器在PWM控制下將能量傳送到電機。
②當電機進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器的續流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時(shí)在PWM控制下將能量回饋到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動(dòng)。
由于PWM整流器閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統的功率因數，消除了網(wǎng)側諧波污染。其優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)力矩大，調速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好。
能量傳遞過(guò)程通過(guò)圖2所示。

圖2能量傳遞過(guò)程控制框圖

風(fēng)光高壓提升機變頻器除具有普通高壓變頻器的功能外，還針對絞車(chē)控制，具有以下突出特點(diǎn)：
（1）電源輸入勵磁涌流限制技術(shù)：該技術(shù)使得系統在每次上高壓電時(shí)的沖擊電流小，對電網(wǎng)的沖擊也很小。
（2）系統斷電自動(dòng)保護技術(shù)：確保任何情況下系統都能安全運行。如果沒(méi)有：提升機重載下放過(guò)程中，遇到系統停電時(shí)，會(huì )造成單元損壞甚至整個(gè)系統癱瘓。
（3）變頻裝置為直接高-高結構，直接6kV輸入，直接6kV輸出，可以直接安裝使用,不需要對系統進(jìn)行任何改造。
（4）功率單元自動(dòng)旁路技術(shù)：在提升機運行過(guò)程中，意外出現一個(gè)或幾個(gè)功率單元故障時(shí)，系統可以自動(dòng)將故障單元旁路，系統進(jìn)入星點(diǎn)偏移控制，保持輸出的線(xiàn)電壓平衡，同時(shí)保持較大輸出轉矩、電壓，完成本次提升任務(wù)。
（5）獨立的控制電源技術(shù)：系統在不上高壓電的情況下可以檢測系統各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的波形和調試、培訓等，方便用戶(hù)自行檢修和維護。
（6）空載低損耗控制技術(shù):變頻系統在待機狀態(tài)下，空載損耗小，經(jīng)實(shí)測比通用技術(shù)產(chǎn)品要低2～3倍。
（7）采用矢量控制技術(shù)，電機可四象限運行，具有不施閘懸停和力矩預置技術(shù)。
（8）承諾可以現場(chǎng)進(jìn)行試驗：1～2個(gè)單元故障可以旁路，完成一個(gè)提升循環(huán)。提升機滿(mǎn)載、全速提升和下放電源停電試驗，確保變頻器不損壞。
（9）風(fēng)光變頻器單元內電解電容因采取了本公司的專(zhuān)利技術(shù)（專(zhuān)利號ZL 2003 2 017356.2），可以將其使用壽命提高一倍。
（10）提升機變頻器具有回饋制動(dòng)、直流制動(dòng)、安全制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)等多項制動(dòng)方式，保證了絞車(chē)可靠運行。
（11）具有多機主從控制功能
（12）具有完備的與電控系統對接的各個(gè)接口，實(shí)現與電控系統無(wú)縫連接。
3高壓提升機改造主回路方案及基本控制功能

煤礦為了節能投資，把原有繞線(xiàn)式轉子部分進(jìn)行短接，采用變頻器直接拖動(dòng)絞車(chē)電動(dòng)機，采用主從控制功能，兩臺高壓提升機變頻器的主回路改造相同，以其中1#變頻器為例進(jìn)行說(shuō)明，主回路如圖3所示：

圖3  主回路圖

圖3中K1、K3為二臺高壓隔離開(kāi)關(guān)，當高壓變頻器檢修時(shí)，保證檢修工的人身安全。為了保證安全，變頻器高壓連跳信號和上一級的高壓斷路器也實(shí)現互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線(xiàn)圈，變頻器出現故障時(shí)，上一級的高壓斷路器斷開(kāi)，實(shí)現高壓故障連跳功能。

高壓提升機變頻器是整個(gè)改造系統的一個(gè)核心部分，它具有與電控系統相適配的各種接口。配合自動(dòng)控制的操作臺運行時(shí)，電控臺向變頻器發(fā)出“正轉運行”、“反轉運行”和“變頻急停”三路開(kāi)關(guān)量信號，以及一路4～20mA“給定轉速”信號。變頻器向電控臺發(fā)出“變頻器待機”、“變頻器故障”和“安全回路”三路開(kāi)關(guān)量信號，以及用于顯示的模擬量輸出信號。電控臺控制高壓斷路器分、合閘，分別連入相應的控制回路中。絞車(chē)上安裝的軸編碼器向電控臺發(fā)出電機轉速及絞車(chē)位置信號。電控臺接受絞車(chē)司機的操作指令。
整個(gè)提升機系統中設有深度指示失效、限速、過(guò)卷、反轉、制動(dòng)油過(guò)壓、閘瓦磨損、松繩、速度監視、制動(dòng)油超溫、潤滑油超壓欠壓、變頻器的輕重故障等保護功能。系統能根據故障性質(zhì)做出響應，必要時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)，確保設備及人員的安全。
4煤礦提升機變頻調速方案設計選擇分析

該煤礦提升機系統中由2臺電機雙軸驅動(dòng)，這樣在變頻調速改造中就面臨雙機驅動(dòng)的問(wèn)題。因此，在改造過(guò)程中，是選擇一拖二控制方案，還是選擇主從控制方案。提升機雙機拖動(dòng)變頻調速系統的核心問(wèn)題是如何處理提升系統中各電機的轉速和轉矩平衡問(wèn)題。
4.1 “一拖二”方案

“一拖二”方案中，如果存在電機的參數差異、減速機存在加工上的差異等等因素，將會(huì )導致系統中兩臺電機的輸出功率有差異。當采用變頻器“一拖二”方案時(shí)，在運行過(guò)程中兩臺電機出力不均勻時(shí)，必將導致一臺電機過(guò)載而另一臺電機欠載，嚴重時(shí)會(huì )使過(guò)載的電機燒毀，甚至可能使變頻器主回路的功率模塊損壞。采用“一拖二”方案有以下弊端：一是變頻器不能有效的分配兩臺電機的功率；二是變頻器不能有效的保護每一臺電機。鑒于以上原因，該煤礦領(lǐng)導考慮皮帶機電機控制選擇“雙機主從”方案。
4.2 “主從”控制方案

控制方案采用兩臺變頻器分別拖動(dòng)兩臺電機，采用主從控制。雙機主從控制是由完全獨立的兩臺變頻器通過(guò)主、從機的通訊方式保證雙電機的協(xié)調控制。兩臺電機中任意一臺都可作為主機，另一臺為從機 (參數主從機選擇主機設為1，從機設為0)，也可在顯示畫(huà)面上更改為單機運行模式。兩臺變頻器與操作臺都有控制信號線(xiàn)連接，兩臺變頻器之間用光纖通信。
提升機主從控制原理如圖4所示。該煤礦提升機現場(chǎng)采用2臺JD-BP37-1400T（1400kW/6kV）高壓變頻器分別控制2臺1250kW高壓電機，選用1#變頻器為主變頻器，2#變頻器為從變頻器，主機變頻器用于實(shí)現與上位機的通信，由操作臺上位機發(fā)給主變頻器給定頻率值。主、從變頻器的電源輸入端分別與電網(wǎng)相連接，輸出端分別與1#、2#電動(dòng)機的定子輸入端相連接；主機變頻器與從機變頻器之間通過(guò)光纖相通信，主機采用速度控制，從機采用轉矩控制，同時(shí)主、從機變頻器通過(guò)檢測相應輸出的有功電流大小來(lái)對運行頻率做調整，以達到兩個(gè)電機的功率、轉矩平衡目的。

圖4 提升機兩臺電機主從控制原理圖

5現場(chǎng)變頻改造情況

主井提升機于2017年11月14日一次性投運成功，已連續運行正常至今。提升機現場(chǎng)運行如圖5所示。提升絞車(chē)變頻改造后，實(shí)現了提升機加減速過(guò)程的平穩控制，運行過(guò)程纜繩擺幅明顯減小，人員升降舒適性明顯提高，電動(dòng)機啟動(dòng)電流與啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)顯著(zhù)降低。自動(dòng)化電控系統很好地防止提升機過(guò)卷和過(guò)放事故發(fā)生；省去了轉子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節能效果。采用主從控制解決了兩臺電機協(xié)調控制的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)測，變頻改造后，在提升產(chǎn)量相同的情況下，變頻運行時(shí)比工頻節能20%以上。

圖5 風(fēng)光高壓提升機現場(chǎng)運行圖

6結束語(yǔ)

風(fēng)光高壓提升機變頻器在主井提升機轉子串電阻電控系統改造中，不僅提高了提升系統的安全性和可靠性，而且大大減低了維護費用，節能效果明顯，實(shí)現了高轉矩、高精度、寬調速范圍驅動(dòng)。風(fēng)光高壓提升機變頻器具有優(yōu)異的控制性能，可以完全輕松解決提升機設備改造過(guò)程中的各種問(wèn)題，提升機采用變頻控制，是交流提升機電控系統發(fā)展的方向，應用前景廣闊。