李海斌

(大同煤礦集團(tuán)公司煤峪口礦)

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高壓變頻調(diào)速器在煤礦提升系統(tǒng)中的應(yīng)用

李海斌

(大同煤礦集團(tuán)公司煤峪口礦)

摘要很多礦井提升機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在電流沖擊大等問題，嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)。以某礦提升機(jī)系統(tǒng)為例，分析了提升機(jī)系統(tǒng)存在的問題，通過高壓變頻調(diào)速器對其進(jìn)行改造，改造后系統(tǒng)整體穩(wěn)定、可靠，沒有出現(xiàn)比較大的故障，較好實現(xiàn)了軟啟動和軟停止，節(jié)能效果顯著，投資和維護(hù)費用低,具有較好的推廣價值。

關(guān)鍵詞高壓變頻調(diào)速器礦井提升機(jī)優(yōu)化改造

目前，我國提升機(jī)絞車多采用繞線式異步電動機(jī)驅(qū)動方式，通過轉(zhuǎn)子串電阻實現(xiàn)調(diào)速，即有級調(diào)速[1]。這種調(diào)速方式存在較多的問題，低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)矩較小，需要較大的轉(zhuǎn)差功率，啟動或換擋時會產(chǎn)生較大的電流沖擊；中高速運(yùn)轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生嚴(yán)重的振動問題，制動過程存在安全隱患且性能可靠性差，無法有效處理再生能量；在減速直至停止階段，“過卷”問題頻繁發(fā)生[2]，而且容易出現(xiàn)故障，運(yùn)行效率較低。因此，急需對此類提升系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1高壓變頻調(diào)速器構(gòu)成

JDBP37型高壓提升變頻器實現(xiàn)了全數(shù)字化，通過彩色液晶觸摸屏進(jìn)行控制，以IGBT為主控器件[3]，性能優(yōu)越。提升機(jī)在四象限運(yùn)行過程中，通過先進(jìn)的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)對繞線式轉(zhuǎn)子串電阻電機(jī)的控制[4]。

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該高壓提升變頻調(diào)速器是通過若干低壓逆變器功率單元實現(xiàn)直接高壓輸出，這些低壓逆變器功率單元采用串聯(lián)方式。提升機(jī)采用6 kV高壓提升變頻器，其中，變壓器包括18組付邊繞組，每相包括6個功率單元，共三相。高壓提升變頻調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2功率單元結(jié)構(gòu)

各功率單元在結(jié)構(gòu)上完全一致，因而可互相替換，其主電路結(jié)構(gòu)見圖2。整流橋采用三相全橋式，整流工作完成后，對濾波電容進(jìn)行充電，測出母線電壓，為更好實現(xiàn)單相逆變，應(yīng)采用正弦PWM對IGBT逆變橋進(jìn)行控制。若電機(jī)發(fā)電，逆變塊B中的二極管不僅具有續(xù)流作用，還具有整流作用，從而實現(xiàn)能量往電容中的轉(zhuǎn)移，使得母線電壓增高，當(dāng)電壓增加至某一定值后，逆變塊A自行啟動，實現(xiàn)SPWM逆變，回歸到移相變壓器的次極，這是通過電感輸入實現(xiàn)的，而后進(jìn)行能量回歸電網(wǎng)工作，這是通過變壓器實現(xiàn)的。

圖1　高壓提升變頻調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2　功率單元主電路結(jié)構(gòu)

1.3輸入側(cè)結(jié)構(gòu)

輸入側(cè)是通過移相變壓器對每個單元供電，各功率單元均具有相同的電機(jī)電流，電壓均為1/6相電壓，功率均為1/18輸出功率。各單元各有一套獨立的三相輸入繞組，且相互絕緣，變壓器二次繞組之間也具有這一特性。為實現(xiàn)多重化，有效減少輸入電流中的諧波，二次繞組采用延邊三角形連接方式。

1.4輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

輸出側(cè)是通過各單元的U、V輸出端子來實現(xiàn)電機(jī)供電，其中，各輸出端子采用串接式星型接法。輸出端子實現(xiàn)對各單元PWM波形的重組，以獲得階梯PWM波形。這種波形具有正弦度好的特點，變化速率小，可大大降低對電纜和電機(jī)造成的絕緣損壞，滿足電機(jī)在額定電壓下的運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。此外，可極大地減少因電機(jī)諧波而造成的電耗，避免了機(jī)械振動問題，也大大減少了某些部位的機(jī)械應(yīng)力，如軸承和葉片等處。

1.5控制器

控制器核心主要由以下兩部分組成：高速DSP和工控PC機(jī)。二者的協(xié)同運(yùn)算實現(xiàn)了控制器核心的功能，這一算法是專門針對本礦提升機(jī)系統(tǒng)而設(shè)計的，可使電機(jī)在運(yùn)行過程中達(dá)到最優(yōu)化效果。工控PC機(jī)還包括監(jiān)控和操作界面等功能，這樣既可更好進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，又可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化操作?？刂破鞯闹饕δ苁菍耋w內(nèi)的開關(guān)信號進(jìn)行邏輯處理，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)場各種信號的協(xié)調(diào)，這使得系統(tǒng)具有很好的靈活性。

2高壓變頻調(diào)速器主要技術(shù)性能

(1)采用高-高電壓源型變頻器，可不需其他變壓器或濾波器，這在普通高壓電動機(jī)中應(yīng)用較為廣泛，且對電機(jī)、電纜絕緣，不會產(chǎn)生任何不良影響。

(2)輸入的功率具有因數(shù)高的特點，電流具有較小的諧波，不需要對功率進(jìn)行補(bǔ)償，也不需要對諧波進(jìn)行抑制。

(3)由于單元電路采用模塊化設(shè)計，具有維護(hù)簡單的特點，且具有較強(qiáng)的互換性。

(4)可提供較大的轉(zhuǎn)矩，一般會大于2倍啟動轉(zhuǎn)矩。

3高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)基本控制性能

3.1直流制動

若重車出現(xiàn)停車情況，PLC會檢測到停機(jī)信號并發(fā)送至控制器，通過控制器實現(xiàn)提升機(jī)的平穩(wěn)降速，進(jìn)而停止；若PLC接收到機(jī)械振動信號后，就會向控制器發(fā)出相應(yīng)的控制信號，實現(xiàn)直流制動信號的消除。啟動之前，需給提升機(jī)發(fā)送一直流制動信號，若PLC接收到這一信號，就會給控制器發(fā)出相應(yīng)的信號，而后在啟動電壓的作用下實現(xiàn)提升機(jī)的啟動。

3.2運(yùn)行速度控制

為實現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行過程中的無機(jī)械沖擊問題，應(yīng)保證提升機(jī)在開停過程中的加速度連續(xù)，同時還應(yīng)保證各頻率均有相對應(yīng)的加減速速率。在高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行過程中，檢測到不同頻率所對應(yīng)的加減速速率，并將其制作成一個表格，在系統(tǒng)運(yùn)行中可通過此表格來確定各頻率所對應(yīng)的加減速速率，這樣可保證提升機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，有效避免機(jī)械沖擊。

3.3自動限速保護(hù)

在提升機(jī)接近終點時，通過限速開關(guān)發(fā)出減速信號，PLC會接收到這一信號并發(fā)送至控制器，控制器自動開啟減速程序，進(jìn)而實現(xiàn)由高速運(yùn)行到低速運(yùn)行的轉(zhuǎn)變。提升機(jī)上安設(shè)了測速發(fā)電機(jī)，若其發(fā)出超速信號，PLC會接收到信號并傳送至控制器，進(jìn)而實現(xiàn)提升機(jī)的減速。

3.4再生能量處理

功率單元可有效處理再生能量。如圖3所示，電機(jī)發(fā)電，功率單元母線電壓Vbus在不斷增加，若母線電壓大于電網(wǎng)電壓的1.1倍，CPU就會輸出六路的SPWM波形，這一工作是根據(jù)比較器和相位檢測的結(jié)果實現(xiàn)的，接著逆變塊A中的IGBT就會進(jìn)入工作狀態(tài)，在輸入電感的作用下，通過移相變壓器實現(xiàn)再生能量向電網(wǎng)回饋的過程。

圖3　單元控制框

4應(yīng)用效果

(1)改造后的變頻系統(tǒng)不再采用交流接觸器和調(diào)速電阻，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行的可靠性，給工作人員的操作創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境，減小了噪音，降低了室內(nèi)溫度。

(2)實現(xiàn)了連續(xù)調(diào)速，連續(xù)平穩(wěn)調(diào)節(jié)的目的。低頻低壓情況下的軟啟動和軟停止功能增強(qiáng)，使得提升機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，避免了機(jī)械沖擊。

(3)在載荷條件下，提升機(jī)可由低速平穩(wěn)實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)變，在此過程中，沒有出現(xiàn)較大的電流，從而大大降低了對電網(wǎng)的沖擊程度。

(4)電耗量低，節(jié)能效果良好；設(shè)備投資少，維護(hù)成本低。

5結(jié)論

通過礦山提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)了提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，改善了工作人員的作業(yè)環(huán)境，且設(shè)備投資少，維護(hù)成本低，節(jié)能效果顯著；高壓變頻調(diào)速技術(shù)及裝置會得到充分發(fā)展，在更多領(lǐng)域會有更廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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李海斌(1975—)，男，工程師,037041 山西省大同市。