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矿井主提升机高压变频调速装置研制和应用

浏览次数: 日期:2007-12-7 15:29:01

摘  要:利用原有电控系统和电动机,研制应用高压变频调速装置,实现提升全过程变频调速控制,并可使新老系统能够切换工作。满足副井提升机各种运行工况及特殊载荷运行条件。

关键词:主提升机;高压变频调速装置;矿井

 

一、概  述

淮北矿业集团公司朔里矿原副井提升电控系统采用交流绕线式电机转子串电阻调速,包括JTDK-ZN交流提升电控装置和20世纪70年代投运的CC5—150N/63型高压低频换向装置。该副井提升系统缺陷突出:提升高度234.8m,提升速度为8.1m/s,不符合《煤矿安全规程》规定,属超速运行,有重大安全隐患。系统调速性能差,启动、停车机械冲击大,尤其是从等速段过渡到减速段的切换过程中,出现失控区,易造成减速段超速;报警、故障指示不齐全。高压低频换向装置服务年限长,机构老化,可靠性差,故障率高,维护费用高,操作不灵敏。

为解决朔里矿副井提升问题,淮北矿业集团公司与北京合康亿盛科技有限公司合作,应用HIVERT-YVF型矿井提升机四象限高压变频调速装置。

 

二、主要目标及关键技术

矿山提升机是煤炭企业生产的关键设备,特别是副井提升,既用于提升人员,又用于提物,负载变化大,存在空、轻、重载提升和下放多种组和工况条件,要求高压变频器具有极高的可靠性,适应恶劣的使用环境;能实现四象限运行,解决能量回馈;启动力矩、低频力矩、加速力矩、制动力矩严格要求(例如启动转矩要达到额定值2倍以上,150%额定电流以下连续运行,200%额定电流1min保护等);有完善的数字控制功能。

主要目标是利用原有电控系统和电动机,增加高压变频调速装置,实现提升全过程变频调速控制,新老系统可切换工作。满足副井提升机各种工况及特殊载荷运行条件,满足《煤矿安全规程》要求,安全可靠,技术先进,维修方便,节能降耗;关键技术是四象限单元串联多电平变频调速器制造技术和有速度传感器的矢量控制技术。

 

三、系统工作原理

3.1矢量控制原理

HIVERT-YVF高压变频器采用转子带速度反馈的矢量控制技术。在转子磁场定位坐标下电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变,控制转矩电流也就控制电机转矩。电机转速采用闭环控制。实际运行中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流IT。经过矢量变换将IT、IM变换为电机三相给定电流Ia*、Ib*、Ic*,它们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号。

3.2主电路

 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。由于IGBT耐压所限,无法直接逆变输出6kV、10kV,而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。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。

隔离变压器,有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边为Y形接法,直接与高压相接。 组数量依变频器电压等级及结构而定, 6kV系列为18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3为6kV系列(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580V的功率单元六个串联时产生3450V相电压(见表1)。

表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4为6KV变频器系列的电压叠加示意图。

5个690V的功率单元串联时,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6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7即为输出电流Ia的实录波形图,峰值电流130A。电压等级数量增加,大大改善了输出性能,输出波形几乎接近正弦波。

每个功率单元结构上完全一致,可以互换,具备100%定额功率的能量回馈能力。

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或负力提升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。

功率单元利用IGBT进行同步整流,同步整流控制器实时检测单元电网输入电压,利用锁相控制技术得到电网输入电压相位,控制整流逆变开关管Q1~Q6所构成的相位与电网电压的相位差,便可控制电功率在电网与功率单元之间的流向。逆变相位超前,功率单元将电能回馈给电网,反之则电功率由电网注入功率单元。

 

四、系统配置方案

全数字高压变频提升机电控系统,采用1台高压变频调速装置构成变频驱动系统,通过各类传感器采集设备运行状态信息,配合主控台完成所有的提升工艺控制和保护功能。系统设计有变频调速和转子串电阻调速两套设备,可以互相切换,以便于设备维修和提高系统可靠性。系统配置示意图如下:


 五、技术经济效益

该套变频调速装置于2006年9月份制造完成,10月份完成各项试验并利用矿井停产检修时间安装。通过现场调试、试运转,在各种工况条件下都能够满足提升工艺的要求,技术经济效益明显。

 (1) 现高压变频运行最高频率为46.66Hz,最大速度为7.6m/s,符合《煤矿安全规程》规定,消除了超速运行的安全隐患。

 (2) 提升机四象限运行,能快速进行正、反转运行,有良好的调速性能,调速精度高;在重载下从低速平稳无级平滑的升至高速,启动及加速过程冲击电流小。

 (3) 变频调速装置输入、输出谐波含量低,输入功率因数高;负力提升和制动时,将能量回馈电网,节约能源(节能效果显著,据实测可达到30%以上)。

(4)降低了运行噪声、发热量,改善了现场环境。

 (5) 自动化程度高,操作简单,降低司机劳动强度和操作难度。

(6)电控系统现场变更控制内容十分简单,安装调试容易。关键器件采用高可靠性进口产品,电子元件全部进行老化筛选,保证了产品质量,故障减少,提高了劳动生产率。采用模块式结构,一旦电路出现故障,可快速更换,不影响生产。


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