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1 用戶情況介紹

陜西某煤礦年生產能力為1500萬噸，提升絞車采用雙軸驅動提升，該提升電控系統采用交流繞線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，在減速時和下放重物時，浪費了大量的電能。

提升機采用繞線式異步電動機拖動，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，存在以下缺點：
(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、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了生產效率。
(3)低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時，很難實現減速控制，導致調速不連續(xù)、速度控制性能較差。
(4)啟動和換檔沖擊電流大，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)自動化程度不高，增加了開采成本，影響了產量。
(6)低速段的啟動力矩小，機械特性比較軟，帶負載能力差，無法實現恒轉矩提升。

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

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

圖1提升機現場設備圖

2風光高壓提升機變頻器性能特點

為解決電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)產生的再生能量，國內在中小容量系統中大都采用能耗制動方式，即通過內置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實現電機的四象限運行，該方法雖然簡單，但缺點是顯而易見的： (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)簡單的能耗制動有時不能及時抑制快速制動產生的泵升電壓，限制了制動性能的提高。

為了實現電機的四象限運行，并克服傳統制動方法的并聯電阻消耗能量造成的浪費，新風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斷器件進行PWM控制，使能量雙向流動，使電機四象限運行；使電機很快達到速度要求，動態(tài)響應快。
風光JD-BP37-T系列高性能高壓變頻調速產品，在以高速DSP（TMS320F2812）為控制核心，結合無速度傳感器矢量控制技術，融合了能量回饋技術，以及IGBT大電流驅動技術，是新一代高性能完美無諧波高壓變頻調速產品的典型代表。矢量控制功能使得異步電機啟動轉矩大，動態(tài)轉矩響應好，調速精度高。能量回饋技術的應用，使得功率單元串聯型高壓變頻器具備了四象限運行能力，能量可以在電網和電機之間雙向流動。

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

圖2能量傳遞過程控制框圖

風光高壓提升機變頻器除具有普通高壓變頻器的功能外，還針對絞車控制，具有以下突出特點：
（1）電源輸入勵磁涌流限制技術：該技術使得系統在每次上高壓電時的沖擊電流小，對電網的沖擊也很小。
（2）系統斷電自動保護技術：確保任何情況下系統都能安全運行。如果沒有：提升機重載下放過程中，遇到系統停電時，會造成單元損壞甚至整個系統癱瘓。
（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,不需要對系統進行任何改造。
（4）功率單元自動旁路技術：在提升機運行過程中，意外出現一個或幾個功率單元故障時，系統可以自動將故障單元旁路，系統進入星點偏移控制，保持輸出的線電壓平衡，同時保持較大輸出轉矩、電壓，完成本次提升任務。
（5）獨立的控制電源技術：系統在不上高壓電的情況下可以檢測系統各個關鍵點的波形和調試、培訓等，方便用戶自行檢修和維護。
（6）空載低損耗控制技術:變頻系統在待機狀態(tài)下，空載損耗小，經實測比通用技術產品要低2～3倍。
（7）采用矢量控制技術，電機可四象限運行，具有不施閘懸停和力矩預置技術。
（8）承諾可以現場進行試驗：1～2個單元故障可以旁路，完成一個提升循環(huán)。提升機滿載、全速提升和下放電源停電試驗，確保變頻器不損壞。
（9）風光變頻器單元內電解電容因采取了本公司的專利技術（專利號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、直流制動、安全制動和動力制動等多項制動方式，保證了絞車可靠運行。
（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接口，實現與電控系統無縫連接。
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(jié)能投資，把原有繞線式轉子部分進行短接，采用變頻器直接拖動絞車電動機，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#變頻器為例進行說明，主回路如圖3所示：

圖3  主回路圖

圖3中K1、K3為二臺高壓隔離開關，當高壓變頻器檢修時，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現互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線圈，變頻器出現故障時，上一級的高壓斷路器斷開，實現高壓故障連跳功能。

高壓提升機變頻器是整個改造系統的一個核心部分，它具有與電控系統相適配的各種接口。配合自動控制的操作臺運行時，電控臺向變頻器發(fā)出“正轉運行”、“反轉運行”和“變頻急停”三路開關量信號，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”三路開關量信號，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。絞車上安裝的軸編碼器向電控臺發(fā)出電機轉速及絞車位置信號。電控臺接受絞車司機的操作指令。
整個提升機系統中設有深度指示失效、限速、過卷、反轉、制動油過壓、閘瓦磨損、松繩、速度監(jiān)視、制動油超溫、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做出響應，必要時實施緊急制動，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，這樣在變頻調速改造中就面臨雙機驅動的問題。因此，在改造過程中，是選擇一拖二控制方案，還是選擇主從控制方案。提升機雙機拖動變頻調速系統的核心問題是如何處理提升系統中各電機的轉速和轉矩平衡問題。
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，在運行過程中兩臺電機出力不均勻時，必將導致一臺電機過載而另一臺電機欠載，嚴重時會使過載的電機燒毀，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主、從機的通訊方式保證雙電機的協調控制。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相連接，輸出端分別與1#、2#電動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光纖相通信，主機采用速度控制，從機采用轉矩控制，同時主、從機變頻器通過檢測相應輸出的有功電流大小來對運行頻率做調整，以達到兩個電機的功率、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(xù)運行正常至今。提升機現場運行如圖5所示。提升絞車變頻改造后，實現了提升機加減速過程的平穩(wěn)控制，運行過程纜繩擺幅明顯減小，人員升降舒適性明顯提高，電動機啟動電流與啟動時振動顯著降低。自動化電控系統很好地防止提升機過卷和過放事故發(fā)生；省去了轉子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果。采用主從控制解決了兩臺電機協調控制的問題。經過實測，變頻改造后，在提升產量相同的情況下，變頻運行時比工頻節(jié)能20%以上。

圖5 風光高壓提升機現場運行圖

6結束語

風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(jié)能效果明顯，實現了高轉矩、高精度、寬調速范圍驅動。風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程中的各種問題，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。