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大功率水冷变频器在同步提升机上的应用

浏览次数: 日期:2018-1-25 10:15:15

摘要:随着煤矿企业不断的集中化、规模化,企业对产量的要求也逐渐引起重视。提升产量需要保证整个提升系统在生产过程中必须安全、可靠、高效率的运行。本文主要介绍大功率水冷型高压同步速度矢量变频器双机联动直驱在主井提升机上的应用。

关键字:大功率水冷变频器、同步速度矢量、双机联动


引言

在煤矿生产中,矿井提升机起着非常重要的作用,它是矿山生产的关键设备。目前在矿井提升系统中采用高压变频器进行传动已成为主流,高压变频器在应用中带来的系统安全,设备稳定性的应用问题更加引起重视。高压变频器在实际应用中,除了要解决好变频器的系统稳定性,还要解决好变频器本体的散热问题,这是保障变频器安全运行的重要部分。

目前国内高压变频器还是以风冷为主要散热方式。随着变频器功率的增大,风冷散热方式已经满足不了变频器自身散热的需求,而解决大功率变频器散热的问题,水冷散热是目前最好的散热方式。下文主要介绍合康变频水冷型高压变频器双机联动直驱在内蒙古伊化矿业有限公司主井运行的情况。


高压变频器简介

HIVERT-T-VF系列高压变频器是合康变频自主研发和生产的专业高性能传动装置。

变频器采用功率单元串联,叠波升压,充分利用常压变频器的成熟技术,因而具有很高的可靠性。6kV系列每相6个单元,下图为6kV变频器系列的主回路示意图

文本框: 控制系统1.png

变频器矢量控制系统拓扑图

变频器采用矢量控制技术。矢量控制技术具有更好的运行特性,数字化控制,为系统带来更好的动态响应、更高的控制精度、更高的可靠性,同时也提升整体效率

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矢量控制原理拓扑图

功率单元采用IGBT进行同步整流。功率单元具有100%能量回馈能力。

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功率单元主电路

功率单元采用水循环冷却系统进行散热,水循环系统分为内水循环和外水循环。水通过管道进入水冷板,将IGBT等功率元件的发热传递给水后,由水带走,进入板式换热器,板式换热器通过和外循环水换热,热量由外循环水带走,为防止外部环境温度引起变频器内部有凝露现象产生,在水冷管道内加入加热装置。变频器外部水温低于25℃时,水冷系统会自动启动加热器,同时将散热外水通过旁路管道直接回流,当水温高于25℃时,自动关闭加热器,根据温度的大小,自动调节外水通过散热板的流量,让外循环水带走内循环水的热量。

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功率单元水循环示意图


现场应用情况

内蒙古伊化矿业资源有限公司坐落于鄂尔多斯市乌审旗图克镇呼吉尔特乡呼吉尔特矿区东南部。矿井设计生产能力10.0Mt/a,一期工程开凿一号主立井,生产能力6.00Mt/a;二期工程生产能力达到10.00Mt/a,增加二号主立井。矿井最大提升速度13.00m/s,加、减速度a=0.7m/s2,提升重量45t。

该矿井选用交流变频同步电动机两台,双机拖动。每台电动机主要技术数据详见参数表

主立井主电动机参数表

名      称

单    位

参      数

额定功率PN

kW

3300

额定电压

V

6000

额定转速nN  

r/min

55.2

转动惯量

kg·m2

32500

过载能力λ


2

针对该矿井设计数据,我公司选用两台型号为HIVERT-T VF 10-06/550水冷型高压变频器,该变频器额定容量为8000KVA,适配3300KW电机。

现场采用两台独立的变频器分别驱动两台同步电机,两台电机共同直驱一个滚筒,相当于提升机功率提高一倍。两台变频器之间光纤通讯,光纤通讯不受外界干扰,通讯速度高,能更好地实现转速、转矩控制,达到功率平衡。

在系统待机的情况下,两台变频器可以进行主、从控制交替变换,即可以将主变频器驱动改为从变频器驱动,同时也可以将从机驱动改为主机驱动。双电机联动直驱提升系统的好处在于:当一台变频器或电机出现故障时,另一台变频器仍可以全载半速运行,为煤矿的不间断生产提供保障。(如下图)

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提升机系统图

变频器内部最大的热量来源是功率单元部分,功率单元内部使用大量的电子元器件,而影响电子元器件使用性方面,散热是重要一环。大功率元器件在使用过程中会产生很大热量,将导致芯片温度的升高,如果没有适当的散热措施,就可能使芯片温度超过最高允许温度值,从而导致器件性能的恶化以致损坏。所以选择适当的散热方式,并进行合理设计,是使器件的潜力得到充分发挥。

现场结构建筑为井塔式,井塔结构相对封闭,变频器设备放置在八楼九楼变频器室,空间相对紧凑。现场为主井,主井主要负责提升煤,粉尘污染比较严重。

采用风冷却对变频器进行降温,对变频室要求比较高。变频器室须有进风口以及出风口,变频器从进风口吸进温度较低的气流,经过变频器内部,经涡流风机排除。在此过程中吸进的空气中会带有部分粉尘,粉尘进入变频器会对变频器造成污染甚至造成变频器故障,在出风口处温度会升高,容易对涡流风机造成伤害。室内温度不能高于40度,否则容易造成变频器功率单元超温跳闸。(如下图)

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风冷循环示意图

水循环分为内水循环和外水循环(如下图)

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水循环系统图

内循环系统功率单元IGBT等器件直接安装在水冷散热板上,产生的热量由内循环水带走,进入板式换热器,板式换热器通过和外循环水换热,把热量由外循环水带走,冷水进入单元水冷板继续循环。

外水循环系统将内水板式换热器热量带走,经过外水板式换热器通过风机冷却,再将冷水通过调节阀送回内水循环系统,从而达到对功率单元进行降温。

冷却系统双泵互为备用,防止单泵故障引起系统停机;去离子水离子浓度检测功能,离子超标报警;冷却系统压力检测,超标报警;冷却系统温度检测,超标报警。

水循环冷却系统运行显示参数如图

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内水循环


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外水循环

现场两台变频器由一台控制系统通过PLC进行控制,听从控制系统的指令来完成启动、停止、加速、减速等工况。(如下图)

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控制系统图

11.png

运行取线图

由上图可以看出两电机运行电流曲线拟合在一起,在整个运行周期内,两电机电流相等,输出力矩一致。运行周期曲线中加速段,恒速段,减速段两电机电流曲线变化相同,即两变频器运行输出电流相等。提升负载整个运行周期内,两电机恒磁,两同步电机运行电流、电压、励磁电流相等,从而保证两电机输出力矩功率平衡。

目前我公司HIVERT-T VF 10-06/550水冷型高压变频器,在现场已经稳定运行,公司采用水冷结构设计,体积小,冷却效率高并且采用水冷结构设计,变频器维护简单、维护量少、周边环境对变频器影响小,在实际应用中所表现出优异的性能、高可靠的稳定性。 


结束语

综上所述,此次大功率水冷高压变频器的方案在内蒙古伊化矿业成功运行,满足了生产工艺的特殊要求,为高压变频器在新的应用领域又迈进了坚实的一步。该项目从设计、结构、原理、实验等方面在现场得到充分验证,在合康变频未来的发展中具有重要意义。


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