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小港煤礦提升絞車高壓變頻改造紀實

2014-04-11 14:48:44
  小港煤礦提升絞車高壓變頻改造紀實
  Xiaogang Coal Hoist High Voltage Frequency Transformation of Documentary
  山東明興礦業集團有限公司小港煤礦  董仕奎
  山東新風光電子科技發展有限公司   陳建行
  Dong Shikui  Chen Jianhang

  摘  要:本文介紹了高壓變頻器在小港煤礦提升絞車上的應用情況, 對高壓提升變頻調速系統改造過程及效果作了論述。
  關鍵詞:高壓提升變頻調速系統  煤礦提升絞車  改造
  Abstract: This paper describes the high voltage inverter in application of Xiaogang coal mine hoisting, for high voltage lifting effect for variable frequency speed control system of process and discusses
  Key words: The system of high voltage lifter inverter   The colliery hoist   Transformation
  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,這種系統屬于有級調速,低速轉矩小,轉差功率大,啟動電流和換擋電流沖擊大;中高速運動振動大,制動不安全不可靠,對再生能量處理不力,斜井提升機運行中調速不連續,容易掉道,故障率高。礦用提升機的技術更新改造要求迫在眉睫。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。
  2原礦山提升機調速系統簡介
  山東明興礦業集團有限公司座落在蓮花山下、汶水之畔,位于新泰市城區西十公里小港村西,是一家以煤為主、多業并舉的綜合性生產企業集團,屬國有中型二級企業。小港煤礦是明興礦業集團的下屬煤礦之一,現礦井地質儲量3134.1萬噸,核定為90萬噸/年。該礦井為立井,主井提升機為雙筒式礦井提升機,雙滾筒單繩纏繞式,礦井深度 235m,雙罐籠,由于當時技術條件的限制,該提升機絞車采用線繞式異步電動機,用轉子串電阻的方法調速。
  隨著交流變頻技術的發展和成熟,變頻調速性能的優越性日益顯現。以變頻器為核心的調速系統,在交流礦井提升機上也越來越多的被采用,徹底改變了沿襲幾十年的交流絞車轉子串電阻分級調速的模式,使提升機獲得平穩、安全、可靠的運行狀態。采用變頻控制的提升機,基本上可以獲得與直流電機相同的調速和制動性能,而對電機的要求相對要低,適用普通異步電動機,改造時無需更換。這里比較一下轉子串電阻的調速方式和變頻器調速方式的優缺點,詳見表1。

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  經礦領導多方面考察、對比,煤礦決定對原提升絞車系統進行改造,最終選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的風光牌JD-BP37-400T型高壓變頻器提升系統對主井提升機進行改造。
  3 改造方案
  3.1原提升設備參數

  主要設備參數如表2所示。

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  3.2高壓提升機變頻器參數
  新風光電子公司是國內最早的從事提升機變頻器研究的專業廠家,風光牌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能技術推廣目錄第一批名單,風光高壓提升機變頻器填補了單元串聯式多電平高壓變頻器不能四象限運行的國內空白,產品技術具國內領先水平。
  風光高壓提升機變頻器采用先進的矢量控制技術,加速時可以實現最大的轉矩輸出,加速時間縮小至最短,而減速時,可以控制電機在四象限運行,輸出制動轉矩,減速時間縮至最短,同時,將勢能轉化為電能,回饋至電網,從而達到節能的目的。風光高壓提升機變頻器具體參數如表3所示。

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  3.3改造方案
  為了確保安全可靠,讓變頻調速系統與原調速系統并存,互為備用,隨時可以切換。改造系統控制思路如圖1所示:

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  主回路改造原理如圖2所示:

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  圖2中K1、K2、K3為三臺高壓隔離開關,為了確保不向變頻器輸出端反送電,K1、K3與K2采用電磁互鎖操動機構,實現電磁和機械互鎖。K4為轉子側雙擲開關,變頻運行時,K4切換到變頻側,繞線電機轉子線圈經雙擲開關K4后處于短接狀態;工頻運行時,K4切換到工頻側,繞線電機轉子線圈經K4接至原調速電阻裝置。當K1、K3閉合,K2斷開,K4切換到變頻側,電機變頻運行;當K1、K3斷開,K2閉合,K4切換到工頻側,電機工頻運行,此時變頻器從高壓中隔離出來,便于檢修、維護和調試。另外,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。
  4新風光高壓提升機變頻器系統的特點
  JD-BP37-400T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調速技術,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18組付邊繞組,每相分為6個功率單元,三相共18個單元,采用36脈沖整流,輸入端的諧波成分遠低于國標規定。高壓提升變頻器系統結構如圖3所示。功率單元電路如圖4所示。

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  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最優的運行性能。人機界面提供友好的全中文監控和操作界面,同時可以實現遠程監控和網絡化控制。PLC控制器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信號的協調,增強了系統的靈活性。控制器及各控制單元板中采用先進的單片機等大規模集成電路和表面焊接技術,系統具有極高的可靠性。此外還有一個CPU,負責管理LED顯示屏和鍵盤。
  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,系統具有極高的安全性,同時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。
  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,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。當電機處于負力提升時,變頻器實時檢測進行能量回饋電網。
  5高壓提升機變頻器與電控系統的配合
  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。變頻器向電控臺發出“變頻器待機”和“變頻器故障”兩路開關量信號,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,變頻器輸出的“合閘允許”與“緊急分斷”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。
  變頻器執行電控系統的指令,完成啟動、停止及其加減速的動作。當制動手柄與主令手柄推離零位后,經過可編程控制器的運算發出模擬量信號作為高壓變頻器的模擬輸入給定,同時發出“正轉運行”或“反轉運行”指令,高壓變頻器接收到電控臺發出的指令,按照根據絞車速度曲線圖設定好的加速時間進行升速。隨著高壓變頻器輸出頻率由最低升至最高后,提升機進入高速段。當提升容器運行至減速點時,電控臺通過輸入給定控制變頻器,變頻器依據設定好的減速時間逐漸由最高頻率向設定的爬行速度對應的頻率降速,提升機從高速階段進入減速段運行。當前速度降至爬行速度時,提升機進入到低速段運行,并保持該速度。提升容器運行到卸載位置時,電控臺進行抱閘操作,同時發出“變頻器急停”指令,至此完成一次提升過程。
  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作出響應,必要時實施緊急制動或二級制動,確保設備及人員的安全。
  6 改造過程
   改造工程流程如下:先把變頻器安裝到位,進行主回路線路改造,然后進行操作臺的固定安裝,連接操作臺與變頻器之間的連線,調試操作臺與變頻器的信號傳遞,正常后把變頻器和操作臺聯入到原操作系統中統調,帶重載調試這是改造中的重點部分。整個改造工程流程如圖5所示:

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  7基本控制
  (1)交流制動。本提升機用變頻器,交流制動對提升系統的安全運行起到重要作用,當重車在中間停車時,檢測到停機信號后給控制器發出信號,讓變頻器由高頻迅速地降到低頻(1Hz左右),給提升機一低頻制動,讓提升機從高速能較快速地降為低速,待PLC檢測到機械制動起作用的信號后,PLC發出信號讓控制器去掉交流制動信號,使提升機靠機械抱閘裝置停穩。啟動時,先對提升機施加一交流制動信號,建立啟動力矩,待檢測到機械抱閘信號后發出信號給控制器去掉交流制動信號,然后由控制器加上啟動電壓讓提升機開始轉動。
  (2)運行速度的控制。為了減少運行過程中的機械沖擊,在提升機啟動和停止過程中,做到加速度連續,不同的頻率,對應不同的加減速速率,在本裝置的控制中,將不同頻率時的加減速速率規劃成一個表格,運行中用查表的方法確定對應頻率時的加減速速率,使提升機平滑運行,減少機械沖擊。
  (3)再生能量通過功率單元來處理,如圖6示:

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  電機處于發電狀態,功率單元母線電壓Vbus升高,當母線電壓超過電網電壓的1.1倍時,高速CPU根據比較器和相位檢測的結果輸出六路SPWM波形,使逆變塊A中的IGBT工作,通過輸入電感,電動機的再生能量最后通過移相變壓器回饋到電網,裝置充分利用了移相變壓器對諧波的抵消作用,對電網無諧波污染、功率因數高、控制簡單、損耗小,返回到電網諧波小于國家標準。
  8現場應用情況及效果
  改造工程于2011年9月利用煤礦生產間歇進行,10月份正式投入運行。從目前運行情況看,提升絞車變頻改造后,實現了電動機的真正軟啟動,縮短了提升時間,減少維護工作量,提高了生產效率。大大提高了提升機的安全運行。
  變頻改造后,提升機絞車運行中主要有如下好處:
  (1)省去了轉子串電阻造成的能耗,具有十分明顯的節能效果。
  (2)克服了接觸器、電阻器繞線電機電刷等容易損壞的缺點,降低了故障和事故的發生率,提高了系統的可靠性。
  (3)實現了軟啟動、軟停車,減少了機械沖擊,使運行更加平穩可靠。
  (4)實現了無級平滑調速,可在靜態或動態任意調整電動機轉速,運行平穩,無轉差沖擊。
  (5)提升機加減速過程的平穩控制,運行過程纜繩擺幅明顯減小,人員升降舒適性明顯提高。
  (6)基本無維護工作量,操作簡單,減低了維護人員和操作人員的工作強度。
  (7)系統具有更完善的軟硬件保護環節。
  9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展的方向,應用前景廣闊。

 

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