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合康HIVERT系列高压变频器在煤矿提升机上的应用

浏览次数: 日期:2010-11-9 14:24:23

内容摘要:变频改造是矿井提升系统节能、安全技改的主要手段。本文对绕线式异步电机的转子串电阻调速和变频调速两种方式的运行特性进行了分析和对比,并结合峰峰集团九龙煤矿副井提升机变频改造情况,介绍提升机系统变频改造相关技术,以及合康HIVERT系列矢量控制高压变频器在矿井提升系统上的应用情况。

关键词:高压变频器  提升机  技术改造  应用

 

 一、概述

九龙矿副井提升电控系统于2001年改造后投入使用至今已接近十年,提升机电机传动控制采用转子串电阻分级调速控制,调速精度低;通过真空开关切换、换向需要留有足够的操作时间,动态响应慢,尤其处于低速爬行时段操作难度较大,整个提升周期不能进一步缩短,降低了提升机的使用效率;设备结构复杂、体积庞大、维护工作量大、检修时间长,同时传动系统效率低、能耗浪费较大;已经处于加速淘汰的趋势。

由于电子技术的高速发展,许多设备及其采用的技术已经面临更新改造甚至全面淘汰的状态,尤其是近年高压变频技术的成熟和高压变频产品的推广应用,对提升机电控系统技术性能和整体运行、控制方式的改进起到了关键的推动作用。

改造后通过高压变频控制电机可以实现软启动、软停机,无需换向柜等开关设备即可根据电控指令,自动按照最理想的提升机速度曲线图实现平滑的启、停、调速和换向,通过能量回馈实现电子制动,无需通过施闸减速制动实现精确定位,极大提高了自动化程度,降低了操作、维护人员的劳动强度,提升机的使用效率、系统的传动效率均大幅提高,在提高提升产量的同时实现节能降耗的目的。

 

二、基础参数与运行工况

九龙矿副井使用洛阳矿山机械厂JKM3.25/4型多绳摩擦式提升机,滚筒直径3.25m,提升高度717m,提升容器为一吨矿车双层四车罐笼,提升速度8.7m/s,采用630kw双电机拖动,电机型号:YR118-10,定子电压6000V、定子电流81A、转子电压745V、转子电流516A。

副井提升运行工况比较复杂,每勾提升重量都有差异,且正、负力提升频繁,调速方式为转子串电阻调速,电动机转子串电阻调速系统的调速属有级调速,调速范围受限,调速精度低,爬行速度不易控制,尤其是重物下放时,需要动力制动与转子串电阻及制动闸配合操作,司机不易控制,安全性能差。在减速时和下放重物时,投入动力制动,不仅消耗外加直流电能,而且还将电动机上的再生电能消耗在转子串接的电阻上,浪费了大量的电能,且运行维护量大、维护费用高、劳动强度大。

 

三、转子串电阻调速与变频调速的运行特性

1、转子串电阻调速的运行特性

此方式通过可控硅切换,在电机的转子回路串入不同阻值的电阻,起到调速运行的作用。

在电机启动之初,所有短接开关处于分断位置,所有电阻串联接入电机的转子回路。当电机加速至一定转速时,闭合最靠中性点侧的短接开关,电机转子所串电阻减少,随着电机进一步加速,绞车司机通过操作主令手柄依次闭合另外几组短接开关,直至所有电阻被短接,电机运行至最高速。

在高速段,由于串入的电阻较少,因此电阻上损耗所占比例不大,但在低速段,如电机的爬行阶段和加速起步阶段,电网提供的绝大部分功率被电阻所消耗,浪费了大量的电能。

2、变频调速的运行特性

变频调速的运行方式是指将电机的转子绕组短接,通过变频器内的电力电子器件将工频电网50Hz的电压转换成其他频率的电压,加在电机的定子绕组上。通过调节变频器输出电压的幅值、频率和相位控制电机运行在期望的转速上。

变频调速按照控制方法主要有VVVF控制、滑差频率控制、直接转矩控制、矢量控制等,其中,矢量控制能够通过对电机的建模运算,实现电机磁通和转矩的解耦控制,具有最优的控制性能。本文所述合康HIVERT系列高压变频器即采用此控制方法。此外该产品还具有低频启动力矩大,100%回馈制动能力,有优异四象限运行特点,尤其适应矿井提升机负载的需要。

在矢量控制方式下,变频器能够根据测量到的电压、电流信号以及事先测得的电机参数,根据内建的电机模型,计算出电机的磁通位置、磁通幅值、输出转矩和电机转速。而后根据该转速与给定转速的偏差,对输出转矩进行调节,如需要的输出转矩大于设定的“最大转矩”,按照最大转矩输出。

 

四、合康HIVERT变频器系统组成及功能

1、高压系统

采用真空高压开关柜,其中:2路高压电源进线、2路高压馈电、1路高压联络柜、1路高压母联开关柜,采用真空断路器,配弹簧储能电动操作机构。

2  高压变频调速系统装置

(1) 变频器与PLC电控硬连接

变频器和PLC电控采用硬连接:电控把开关量正向起停、反向起停、紧急停机、模拟量频率给定送给变频器,可以控制变频器运行;变频器把开关量运行、故障、就绪、模拟量输出电流、输出频率给电控系统,即可以正常工作。配合如下图所示。

 

(2) 变频器柜体介绍

变压器柜:变压器柜内装有为功率单元提供三相电源的移相变压器。柜门上设有干式变压器温度控制仪,为变压器提供温度告警和过热保护。柜前门内侧装有行程开关,当柜门打开时告警。柜后门装有电磁锁,当高压电进入柜内,电磁锁自动锁死,需用专用的电磁锁钥匙才能打开柜子的后门。

单元柜:单元柜内安装的功率单元和三相电抗器分成三组,每组排列成一排,每组串联成一相,每相串联6个功率单元和三相电抗器。串联后A1、B1、C1三个功率单元Y形短接,三相最后三个单元A6、B6、C6输出接高压输出室的接线铜排上。在短接处的电缆上穿有霍尔电流传感器,检测输出电流。

3、低压配电柜

双回路进线,为电控系统的辅助设备供电,并实现双电源切换。配有UPS不间断电源,以便在主电源故障情况下,能够使皮带机实现可靠的安全制动,为计算机提供电源,保证计算机的运行和数据保持。

4、提升数控柜

选用Siemens公司的双套不同配置的S7-300可编程控制器。双PLC之间既有软件上的联锁,还有硬件上的联锁和看门狗电路,对PLC的运行进行监视,防止因为PLC死机或其他意外原因造成PLC故障时能及时监测并参与安全保护。

主控PLC由主机架、电源板、CPU板、通讯板、高速计数板、模拟量I/O板、数字量I/O 板、调制解调器等硬件组成,输入输出口留有一定的余量。主控PLC应用软件能完成提升机手动、半自动、检修、换层、慢动、紧急控制开车等运行方式的控制要求。

5、保护功能设置

(1)立即施闸的故障:高、低压电源断电故障、提升容器过卷、调节及控制回路故障、制动系统油压故障、变频器故障、提升系统超过最大速度15%及减速段过速10%、2m/s定点过速、钢丝绳滑动超限、错向操作、按下安全制动钮、电源断电、快开跳闸等。

(2)先按设定减速度减速,然后紧急停车的故障:定子、转子及变频器发生局部故障、主机轴瓦过热、变压器温度偏高、运行过程中通风机故障、信号电源欠压、液压制动系统油温偏高、液压制动系统油位偏低、闸瓦磨损、闸盘偏摆、弹簧疲劳等。

(3)完成本次提升后,不允许再次开车的故障:主电机超温、低压电源漏电、信号电源接地及其它接地故障、室温过高、控制柜温度过高等。

6、网络化操作台

辅控PLC除了具备电子数字监控器的功能外,操纵台上需要从PLC输入、输出口进行接线的,均从辅控PLC就近接线,辅控PLC安装在操作台台体内,并与主控PLC进行网络通讯,各种信号线通过通讯电缆完成,实现网络化控制。操作台上装有指示灯、仪表、选择开关、按钮、音响设备、数字深度指示器等,能实现提升机运行的各种控制工艺的要求。

7、轴编码器与测速发电机

主轴传动装置上的轴编码器信号进入主控PLC,导向轮传动装置上的轴编码器信号进入辅控PLC,作为两路完全独立的数字行程监控器的位置信号,通过网络通讯,两路数字监控器相互比较、冗余控制,实现速度的包络线保护、钢绳滑动、位置闭环控制,确保数字监控器的准确、可靠、安全。

主轴传动装置上的测速机用于速度保护,与数字监控器的速度进行比较监视进一步确保数字监控器的可靠性。

 

五、变频改造后效益分析

改造提升机用变频器是在原提升机电控系统的基础上,用变频调速系统替代原工频调速系统,同时保留工频调速系统,使两套系统互为备用,增加系统运行的可靠性。

改造之后:

1、实现了软启动、软停车,减少了机械冲击,使运行更加平稳可靠。

2、启动及加速换挡时冲击电流很小,减轻了对电网的冲击,简化了操作、降低了工人的劳动强度。

3、启动转距、低频转距、制动转距均符合规定要求。

4、运行速度曲线成S形,使加、减速平滑,无撞击感。

5、远控及显示正常,操作方便、观测直观。

6、安全保护功能齐全,除一般的过压、欠压、过载、短路、温升等保护外,还设有连锁保护、自动限速保护功能等。

7、当减速及重物下放时,能实现制动回馈。

 

六、总结

针对目前国内交流变阻调速提升机存在的速度控制性能差、能耗大,不易操作的现状,矿井提升机大功率变频器,满足了提升机的各种运行方式,具有调速性能好、控制精度高、安全可靠、运行平稳、操作简单、低频转矩大、节电效果显著、功率因数高、谐波含量低等优点。

尤其是采用了再生制动方式的变频器,使提升机在减速段或重物下放操作时变频器能自动转入发电反馈状态,使制动更平稳,操作更简单,有速度传感器的矢量控制的应用,使得变频器具有低频转矩大、调速平滑、调速范围广、精度高、操作简单的特点,运用了高压变频器的成熟技术,使得运行安全稳定、故障率低、基本免维护,技术先进、保护齐全,操作方便,节能效果显著(与原电阻调速系统相比,可节电10%-30%以上),功率因数高(0.95以上),谐波含量极少,符合国家标准。

四象限高压变频器在交流提升机转子串电阻电控系统改造及新提升机电控系统配置中,提高了矿山提升机控制技术和装备水平。高压变频器调速系统不仅大大提高了矿山交流提升系统的安全性和可靠性,确保了提升机高质量运行,而且其技术性能达到国内领先、国际先进水平,实现了高转矩、高精度、宽调速范围驱动,是交流提升机电控系统发展的方向,应用前景广阔。实现提升全过程变频调速闭环控制,满足提升机各种运行工况及特殊载荷运行条件,符合《煤矿安全规程》要求。实现提升全过程变频调速闭环控制、无级调速和多速度等级运行,满足副井提升机各种运行工况及特殊载荷运行条件。


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