產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在河北煤礦絞車中的應用
1引言
提升機是礦井的關鍵和重大安全設備之一，用作提升礦物和物料及設備等，是礦井系統設備的咽喉。在整個生產過程中，占有非常重要的地位，它不僅關系到礦井的正常安全生產和生產效率，而且直接影響上、下井人員的生命財產安全，因此，它的電氣傳動及控制裝置一直是各國傳動界的一個重要研究領域。傳統大多數礦井提升機采用繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻的交流調速系統，這種系統屬于落后技術，而采用DSP全數字變頻調速技術的現代交流調速系統代表礦井提升機技術的先進水平。礦用提升機的技術更新改造要求迫在眉睫。
2原礦山提升機調速系統簡介
河北某煤礦礦井主斜井有一臺絞車，采用繞線式異步電動機拖動，電機采用傳統的串電阻調速，該調速方式存在以下缺點：
(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。
針對以上這些問題，煤礦決定對原系統進行改造。根據當今科技的發(fā)展，采用技術含量較高的變頻調速，替代原來的繞線電機串電阻調速，是較理想的方案。經礦方多方考察，選用了新風光電子科技股份有限公司生產的風光牌JD-BP37-450T型高壓提升機變頻系統。
該煤礦絞車現場為單滾筒絞車，絞車設備配置如表1、表2所示。
3 新風光高壓提升機變頻器系統的特點
新風光公司是國內較早的從事提升機變頻器研究的專業(yè)廠家，新風光高壓提升機變頻器被列入國家火炬計劃，產品榮獲國家重點新產品、山東省科技進步獎，產品被列入國家重點節(jié)能技術推廣目錄第一批名單。
新風光JD-BP37-T系列高性能高壓變頻調速產品，以高速DSP（TMS320F2812）為控制核心，采用矢量控制技術，融合了能量回饋技術，以及IGBT大電流驅動技術。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。矢量控制技術原理如圖1所示。
圖1 矢量控制技術原理框圖
此次變頻改造選用1臺JD-BP37-450T型高壓提升機變頻器，額定電壓6kV，額定電流54A，額定功率450kW。高壓提升機變頻器技術參數如表3所示。
JD-BP37-450T型高壓提升變頻調速器采用進口IGBT為主控器件，采用先進的矢量控制技術，以DSP為控制核心，精心巧妙科學的程序邏輯，以彩色液晶觸摸屏為人機對話界面，科學人性化的界面語言，全中文的語言顯示，便于操作及查詢。風光牌高壓提升機變頻器，即可用于鼠籠式電機也可用于繞線式電機，即可用于新礦井配套安裝，也可用于老礦井改造。風光6kV高壓提升變頻器，采用若干個低壓逆變器功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，所用的6kV高壓提升變頻器，變壓器有15組付邊繞組，每相分為5個功率單元，三相共15個單元，采用30脈沖整流，輸入端的諧波成分遠低于國標規(guī)定。高壓提升變頻器系統結構如圖2所示。功率單元電路如圖3所示。
圖2高壓提升變頻器系統結構圖
圖3功率單元電路結構
控制器核心由高速32位芯片運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到較優(yōu)的運行性能。人機界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時可以實現遠程監(jiān)控和網絡化控制。內置PLC用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態(tài)信號的協調，增強了系統的靈活性?？刂破骷案骺刂茊卧逯胁捎孟冗M的大規(guī)模集成電路和表面焊接技術，系統具有極高的可靠性。
另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統的統一控制器，方便調試、維修、現場培訓，增強了系統的可靠性。
4變頻改造方案
4.1改造主回路情況
改造提升機用變頻器是在原提升機電控系統的基礎上，加裝變頻調速系統，高壓變頻器為新風光公司生產的JD-BP37-450T型高壓提升機變頻器。高壓提升變頻器是整個電控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。它接受操作臺電控系統的操作命令，同時它又將運行狀態(tài)，包括工作頻率、電機電流、電源電壓、電流及故障信息隨時送給電控系統。變頻器本身又將工作信號及工作狀態(tài)自動記錄以備查閱，依據用戶要求連接打印設備，每班數據打印，形成設備報表。變頻器的所有輸入、輸出接口均進行了隔離，避免對變頻器引入干擾。新風光高壓提升變頻器滿足煤礦現有的各種電器閉鎖要求，符合《煤礦安全規(guī)程》要求。
改造中將原繞線電機轉子回路進行短接處理，利用原繞線電機，節(jié)約了投資。為不大面積影響煤礦生產，把輔料預先下放到位，根據生產情況間歇性停機改造。改造主回路示意圖如圖4所示。
圖4 改造主回路示意圖
4.2變頻控制與操作臺接口
變頻器與電控系統連接框圖如圖5所示。
（1）速度控制信號輸入
電控系統給一路4～20mA模擬量速度信號。
（2）模擬量輸出
系統提供兩路模擬輸出，模擬量輸出設定為4～20mA輸出電流和4～20mA輸出頻率。
（3）與操作臺遠程控制
上提、下放、抱閘（松閘）、安全回路輸入、安全回路輸出、變頻就緒、故障輸出。
圖5 變頻器與電控系統連接框圖
5 變頻運行情況
2015年8月，風光高壓提升機變頻器現場開始安裝、調試變頻器。調試人員根據現場工況情況：電動機沒有裝旋轉編碼器，把變頻器工作方式設置為無旋轉編碼器矢量控制工作方式，同時把電動機的工作參數進行設置，然后帶空電動機進行運行，查看變頻器的工作情況與理論工作曲線進行比較后再次調整電機設置參數，使實際運行曲線與理論曲線達到一致，最后帶滾筒對參數進行微調。該礦領導為了驗證變頻器的輸出力矩，在現場把罐籠裝滿最重的沙石料（超過額定負載量）然后把罐籠放在水中，根據以往工作經驗，這種情況如果采用串電阻絞車通常會出現拉不動跳高壓情況?，F場準備就緒后開始啟動，變頻器運行在2.0Hz，輸入電流在9A，輸出電流達到72A（電動機額定電流47A）的情況下罐籠平穩(wěn)地從水中被提上來，沒有出現罐籠晃動現象。
為了驗證下放回饋能力，現場把正常工作使用的傘鉆作為重物進行試驗（傘鉆的重量為5.3噸，是由主提絞車負責提升和下放），下放運行頻率1.5Hz，輸出電流68A，輸入電流8A，變頻器回饋工作正常。通過試驗，變頻器啟動、停止以及調速過程中電動機聲音正常，滾筒轉動平穩(wěn)。主井副提絞車通過改造后，實現了絞車的軟啟動、軟停止，由于變頻器運行穩(wěn)定使現場生產效率得到了提高。特別是變頻器采用回饋制動工作方式，在提升量基本相同的情況下，通過與主提絞車相比較變頻運行時節(jié)電量達20%以上。
6結束語
新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，是交流提升機電控系統發(fā)展的方向，應用前景廣闊。
