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高压变频器在煤矿提升机的应用

2017-09-13 10:37:08 点击数:

1、引言

  煤矿因生产的特殊性,矿山提升机是矿山生产的至关重要的大型设备,对矿井的生产及安全起着非常重要的作用。因此,它的电气传动及控制装置一直是各国传动界的一个重要研究领域。以前大多数矿井提升机采用绕线转子异步电动机转子回路串电阻的交流调速系统,当前投产的大、中型矿井的提升机多数采用磁场换向的晶闸管直流可逆调速系统, 上述调速方式技术落后,且运行效果很不理想,直流电动机由于其结构的复杂,运行过程中带来高昂的维护费用。而采用全数字变频调速技术的现代交流调速系统代表矿井提升机技术的先进水平。

  目前矿用提升机普遍使用高压(6KV)交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统。提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差,特别在负载变动时很难实现恒减速控制,经常会造成过放和过卷事故;提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗;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,影响生产效益。针对串电阻调速系统的这些问题,本文介绍高压变频器在提升机调速系统中的应用。高压变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制,能很好地防止提升机过卷和过放事故发生;高压变频器的的调速还可以实现电动机的软启动,取除了转子串电阻造成的能耗,具有十分明显的节能降耗的效果;高压变频器调速控制电路简单,克服了接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏的缺点,降低了故障和事故的发生。
    高压变频器灵活的调速控制便于实现提升机的多段速控制,能防止叉道和弯道脱轨事故。因此,高压变频器在提升机调速系统中的应用有十分广阔的前景。

二、高压变频电控系统的构成

    6kV提升机变频电控系统的构成主要有高压变频器、主控台及其他附件。

1、高压变频器。HFGP型高压变频器系统由移相变压器、功率单元和控制器组成。

1.1高压提升变频调速器采用最新型IGBT为主控器件,全数字化,彩色液晶触摸屏控制,以高可靠性、易操作、高性能为设计目标的优质变频调速器,采用先进的矢量控制变频调速技术完成提升机的四象限运行,用于鼠笼式电机或绕线式转子串电阻电机控制,即可用于新矿井安装,也可用于老矿井改造。采用若干个低压逆变器功率单元串联的方式实现直接高压输出,所用的6kv高压提升变频器,变压器有18组付边绕组,分为6个功率单元∕相,三相共18个单元,采用36脉冲整流,输入端的谐波成分远低于国标规定 ,高压提升变频器系统结构如图1所示。

 

 

1.2功率单元

  功率单元原理见图2,输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出,三相二极管全波整流为直流环节电容充电,电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。

  功率单元通过光纤接收信号,采用矢量正弦波脉宽调制(PWM)方式,控制Q1~Q4IGBT的导通和关断,输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态,当Q1和Q4导通时,L1和L2的输出电压状态为1;当Q2和Q3导通时,L1和L2的输出电压状态为-1;当Q1和Q3或者Q2和Q4导通时,L1和L2的输出电压状态为0。输出电压波形见图2.4。功率单元具有有源逆变能量回馈功能,当电机处于制动状态,电容器上的直流电压达到有源逆变启动的门槛电压时,电源自动启动有源逆变,将电机及其负载的机械能转化为电能,回馈到电网中去。

1.3输入侧结构
  输入侧由移相变压器给每个单元供电,每个功率单元都承受电机电流、1/6的相电压、1/18的输出功率。18个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法,目的是实现多重化,降低输入电流的谐波成分。

 

 

  功率单元通过光纤接收信号,采用矢量正弦波脉宽调制(PWM)方式,控制Q1~Q4IGBT的导通和关断,输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态,当Q1和Q4导通时,L1和L2的输出电压状态为1;当Q2和Q3导通时,L1和L2的输出电压状态为-1;当Q1和Q3或者Q2和Q4导通时,L1和L2的输出电压状态为0。输出电压波形见图2.4。功率单元具有有源逆变能量回馈功能,当电机处于制动状态,电容器上的直流电压达到有源逆变启动的门槛电压时,电源自动启动有源逆变,将电机及其负载的机械能转化为电能,回馈到电网中去。

1.3输入侧结构
  输入侧由移相变压器给每个单元供电,每个功率单元都承受电机电流、1/6的相电压、1/18的输出功率。18个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法,目的是实现多重化,降低输入电流的谐波成分。

1.4输出侧结构
  输出侧由每个单元的L1、L2输出端子相互串接而成星型接法给电机供电,如图4所示,通过对每个单元的PWM波形进行重组,可得到如图5所示的阶梯PWM波形和图6所示的电流波形。这种波形正弦度好,可减少对电缆和电机的绝缘损坏,电机不需要降额使用,可直接用于旧设备的改造;同时,电机的谐波损耗大大减少,消除了由此引起的机械振动,减小了轴承的机械内应力和电疲劳现象。

 

 

  高压变频器功能参数设置方便快捷,为用户提供友好的全中文操作界面,简单易懂。高压变频器具有与电控系统相匹配的各种接口。它接受电控系统的操作命令,包括开停机、正反转、抱闸信号及速度命令,按照操作命令执行。同时它又将运行状态,包括工作频率、电机电流、电压、故障信息随时送给电控系统。变频器本身又将工作信息及工作状态自动记录以备查阅。

2、操作台。操作台上设有各种工况显示设备,以彩色液晶显示屏为主要显示设备。可以观察PLC运行情况、各外部接点的动作状态、各模拟量回路状态等,更加方便维修工作。同时还具有必要的开关量、模拟量的数字显示,可以独立提供必要的提升数据。其中包括安全回路指示灯、数字显示液压表、减速及故障声光报警显示、电压和电流表等。

三、提升机高压变频调速电控系统电气保护 

  本电控系统的保护设置包含了煤矿安全规程规定的各项保护,还可以根据现场情况增加各种保护。
    1.立即安全制动故障。该类故障综合在硬软件安全电路中,安全电路正常时吸合,有紧急故障时释放,一旦安全电路释放,就会立即封锁变频器、跳制动油泵,并控制油压系统电磁阀实施安全制动、抱安全闸。主要安全制动故障有:(1)转动系统故障。如主回路和控制回路电源故障,主电机过热、堵转,变频器故障等;(2)过卷故障;(3)超速故障。如等速、超速、减速段定点超速和连续超速等;(4)紧急故障;(5)液压制动系统故障。如制动油泵跳,系统油压高等;(6)错向;(7)测速轴编码器断线;(8)松绳故障。
    2.先电气制动、后安全制动故障。这类故障发生后,转动系统会自动进行减速,当速度降到爬行速度时会立即转为紧急制动这类故障主要有事故停车和闸瓦磨损。
    3.完成本次开车后,不允许再次开车故障。开车前如出现这类故障,则开不起车;如在运行过程中出现,则允许本次开车完成,但不允许下次开车,除非故障解除。这类故障主要有电机过热报警、液压站油温过高等。

四、使用变频器后较原电控系统有以下优点

  1、变频系统无需原电控调速用的交流接触器及调速电阻,提高了系统的可靠性,改善了操作人员的工作环境,使噪音及室温降低。

  2、调速连续方便,连续平滑调节。

  3、实现了低频低压的软启动和软停止,使运行更加平稳,机械冲击小。

  4、启动及加速过程冲击电流小,加速过程中最大电流不超过1.3倍的额定电流,提升机在重载下从低速平稳无级平滑的升至高速,没有大电流出现,减小了对电网的冲击。

  5、增加了直流制动功能,使重车停车时更加平稳,有效避免了“溜沟”现象。

  6、采用回馈制动技术,成功地解决了位能负载的再生发电能量处理问题,保证了变频器的安全运行。

  7、节能效果显著。据实测可达到35%以上。

  8、采用变频控制后,原绕线式电机可改为普通电机,这不但降低了成本,普通电机比绕线式电机可节约投资1/3,而且电机维护方面,避免了转子炭刷的烧损及维护。

五、结束语
    6kV提升机高压变频电控系统投入工业运行,设备运行良好、工作可靠、大大提高了系统的安全性能、降低了电耗及维护费用、减低了提升机运行时的噪声、减少了设备安装空间、实现了提升机安全高效运行的目的。
    提升机高压变频电控系统具有控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点,随着变频技术的日益成熟与能源节约要求的必然趋势,它正成为矿山提升机传动的发展方向。若在全国煤矿提升机上推广,经济效益更加可观。 

 

 

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