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协庄煤矿1#副井绞车变频技术改造

浏览次数: 日期:2008-8-2 15:09:21

关键词:煤矿绞车、电控改造、变频控制、节能环保

摘要:变频绞车是以全数字变频调速为基础,以矢量控制技术为核心,具有低频转矩大、调速平滑、调速范围广、精度高、节能明显;具备结构紧凑、体积小、移动方便、安全防爆、操作简单、运行安全稳定、故障率低、基本免维护等特点,对于煤矿绞车安全运行具有深远意义。 


一、概述

协庄煤矿一号副井绞车房一九八五年十一月正式投入运行,提升机由洛阳矿山机械厂生产,型号2JK-3.5/20,主电机为YR143/39-12-630kw,提升方式为斜井双勾串车、人物混合提升,井筒斜长1360米,所配电控为TKD-A-0289型及KZG-180/320-3三相可控硅动力制动电源柜,绞车属于交流异步电机转子串电阻调速绞车(电气拖动)类型。串电阻调速绞车,占用设备多,占地面积大,且电控调速属于逐级切除电阻,调速不平滑,对设备冲击大,故障率较高,耗电量较大。而变频绞车是以全数字变频调速为基础,以矢量控制技术为核心,低频转矩大、调速平滑、调速范围广、精度高、节能明显;具备结构紧凑、体积小、移动方便、安全防爆、操作简单、运行安全稳定、故障率低、基本免维护等特点。为确保提升运输安全,我们于2008年1月2日对绞车进行变频改造并调试完毕投入运行,电控系统由煤炭科学研究总院天地科技股份公司高新技术部设计,高压变频器为北京中益合康电气技术有限公司设计生产的HIVERT-YVF系列第六代高压变频器。

改造后的绞车电控系统采用先进的功率单元串联叠波技术、矢量控制技术、有源逆变能量回馈技术,绞车具备手动、半自动、全自动、检修、应急五种控制方式,各项数据如深度、速度、闸间隙、速度曲线图等同步显示,具备保护齐全可靠、系统总效率高(96%以上)、噪音小、故障显示及报警并保存记忆十次故障等功能。由于绞车采用变频技术,自动控制绞车运行频率,因此该电控系统还具有节能环保的特点。

 

二、技术方案研制

1、主电路设计构成

HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压(高-高)方式,主电路开关元件为IGBT。HIVERT变频器采用功率单元串联,叠波升压,充分利用常压变频器的成熟技术,因而具有很高的可靠性。

主隔离变压器(以下简称主变压器),强迫风冷,有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边为Y型接法,直接与高压相接,副边绕组数量依变频器电压等级及结构而定,3kV系列为9个,6kV系列为18,10kV系列为27个,延边三角形接法,为每个功率单元提供三相电源输入。

由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差,从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流,所以HIVERT变频器输入电流的总谐波含量(THD)远小于国家标准5%的要求,并且能保持接近1的输入功率因数。图2.2为6kV系列(每相六单元串联)输入电流实录波形,电流峰值120A,几近完美的正弦波。

变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。如额定输出580VAC功率单元六个串联时产生3450V相电压,见下表。

表2-1:HIVERT变频器功率单元配置

变频器系列

每相串联

单元数

单元额定电压(V)

输出相电压(V)

输出线电压(V)

每相电压等级数量

6kV

6

580

3450

6000

13

相输出Y接,中性点悬浮,得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。图2.3为6kV/10kV变频器系列的电压叠加示意图。

图2.4为五个690VAC功率单元串联时,每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形示意图,可以得到5~0~-5共11个不同的电压等级。增加电压等级的同时,每个等级的电压值大为降低,从而减小了dv/dt对电机绝缘的破坏,并大大削弱了输出电压的谐波含量,图2.5为6kV六单元变频器输出的Uab线电压波形实录图,峰值电压为8.5kV。因为电机电感的滤波效果,输出电流波形更优于电压波形,图2.6即为输出电流Ia的实录波形图,峰值电流130A。电压等级数量的增加,大大改善了变频器的输出性能,输出波形几乎接近正弦波。 

图2.6 输出电流波形  

2、功率单元

功率单元原理见图2.7,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IGBT全控桥同步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。

图2.7 功率单元原理图

功率单元通过光纤接收信号,采用带PG的矢量正弦波脉宽调制(PWM)方式,控制Q1~Q4IGBT的导通和关断,输出单相双极性脉宽调制波形。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同时导通时,L1和L2的输出电压状态为0。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起动的门槛电压时,单元自动起动有源逆变,将电机及其负载的机械能转化为电能,回馈到电网中去。

3、控制系统

控制系统由控制器、IO接口板和人机界面组成。控制器由三块光纤板,一块信号板,一块主控板和一块电源板组成。各部分之间的联系如图2 .10HIVERT变频器控制系统结构图所示。

光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号,每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制(PWM)信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号,并在故障时向光纤板发出故障代码信号。

信号板采集变频器的输出电压、电流信号和光电编码盘信号,并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护,以及提供给主控板数据采集。

主控板采用高速单片机,完成对电机控制的所有功能,运用正弦波速度电流闭环矢量控制方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通讯口与人机界面主控板进行交换数据,提供变频器的状态参数,并接受来人机界面主控板的参数设置和指令。

人机界面为用户提供友好的全中文操作界面,负责信息处理和与外部的通讯联系,通过主控板和IO接口板通讯来的数据,计算出电流、电压、功率、运行频率等运行参数,并实现对电机的过载、过流告警和保护。通过RS232通讯口与主控板连接,通过RS485通讯口与IO接口板连接,实时监控变频器系统的状态。

IO接口板用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理,增强了变频器现场应用的灵活性。IO接口板有处理2路模拟量输入和2路模拟量输出的能力,模拟量输入用于处理来自现场的流量、压力等模拟信号或模拟设置时的设置信号;模拟输出量是运行频率和输出电流。


图2.10 HIVERT-YVF变频器控制系统图(6kV系列)

 

三、应用效果

1、通过采用变频技术,解决了原电控系统可靠性差难题,降低了设备运转的维修率和事故率,降低工人劳动强度,自使用至今绞车运行稳定,未出现故障;提高了电控系统的安全性、可靠性,节约了设备维护费用,保证了绞车的安全运转。

2、操作简单,只需要简单正反向控制,各加减速点自动控制速度,减低了操作人员的劳动强度。

3、保护功能齐全可靠,启动电流小,设备整体噪音低。

 

四、经济、社会效益预测

1、以矢量控制为控制核心的绞车控制系统,使绞车控制性能和保护性能更加完善;设备的故障率较原老式电控系统减少80%以上,设备维护率降低50%,维修费用较同期降低65%以上,具有较大的安全效益。

2、绞车控制电路采用变频调速系统,与原串电阻调速电控系统相比,具有较好的节能效果。变频调速系统以矢量控制技术为核心,淘汰了原绞车串起动电阻的投入,减少了电阻降压损耗,节约了设备电能损耗,根据实际统计,绞车电机有发电回馈补偿电网现象,最大为-75KW。

 节电量分析:

1#副井绞车电控系统变频改造于2008年1月2日上午十时改造完毕并投入运行,同时对新电度表进行统计:

1)2008年3月2日上午统计电度表走数为30

则1月2日至3月2日耗电量为:30*1200=36000KWh。

2)4月2日上午统计电度表走数为44.8

则3月2日至4月2日耗电量为:(44.8-30)*1200=17760KWh。

3)5月2日上午统计电度表走数为61.5

则4月2日至5月2日耗电量为:(61.5-44.8)*1200=20040KWh。

则改造后月耗电量为:(61.5*1200)/4=18450KWh,旧电控系统2007年月均耗电量为27849KWh,则改造后月均节电27849-18450=9399KWh,节电率为34%.节电效果明显。


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