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摘要：變頻改造是礦井提升領(lǐng)域提高工藝水平和安全技改的主要手段。本文對(duì)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)合龍?zhí)锩簶I(yè)變頻改造的現(xiàn)場，介紹HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在雙機(jī)拖動(dòng)礦井提升系統(tǒng)上的應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞：雙機(jī)拖動(dòng)、礦井提升機(jī)、高壓變頻器、矢量控制、能量回饋、
一、 引言
在煤礦生產(chǎn)中，礦井提升機(jī)起著非常重要的作用，它是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。提升機(jī)電控裝置的技術(shù)性能，既直接影響礦山生產(chǎn)的效率及安全，又代表著礦井提升機(jī)發(fā)展的整體水平。因此，要求礦井提升機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)具有安全可靠，運(yùn)行高效且定位準(zhǔn)確的能力。
傳統(tǒng)的礦井提升中，80%左右是用交流繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的方式，此調(diào)速方式技術(shù)相對(duì)落后，無效功耗過大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且運(yùn)行效果不理想。為了獲得較高性能的提升系統(tǒng)部分采用直流傳動(dòng)方案，但直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在功率范圍受到一定的限制的同時(shí)，運(yùn)行過程中又給用戶帶來了高昂的維護(hù)費(fèi)用。隨著電力電子與電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，采用變頻調(diào)速的方法具備了大轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速、低維護(hù)的特點(diǎn)，從根本上解決了其他調(diào)速方式的弊端，是目前礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)的首選方案。
二、用戶簡介
輝縣市龍?zhí)锩簶I(yè)有限公司成立于2006年4月，是由深圳市潛龍實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司控股的現(xiàn)代化股份制企業(yè)，擁有一座年產(chǎn)95萬噸的礦井——程村礦井，主產(chǎn)三號(hào)優(yōu)質(zhì)無煙煤，服務(wù)年限49年，礦井于2008年投產(chǎn)，稅收在新鄉(xiāng)市排名前10位 。如圖1所示
圖1、龍?zhí)锩簶I(yè)一角
三、改造背景及方案確定
煤礦主、副井提升機(jī)系統(tǒng)在建井時(shí)部分設(shè)計(jì)為兩臺(tái)相同或不同容量的電動(dòng)機(jī)一臺(tái)工作、一臺(tái)備用的拖動(dòng)方式，即單機(jī)拖動(dòng)方式。隨著礦井生產(chǎn)能力的提高，往往會(huì)出現(xiàn)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)工作無法滿足生產(chǎn)需要的情況。如重新購置容量較大的電動(dòng)機(jī)就要將原有電動(dòng)機(jī)淘汰，造成浪費(fèi)。這時(shí)，可考慮在不更換設(shè)備的情況下，將單機(jī)拖動(dòng)改為雙機(jī)同時(shí)拖動(dòng)。
龍?zhí)锩簶I(yè)主井提升為一臺(tái)JKM-2.8/4（II）型多繩摩擦式提升機(jī)，裝備一對(duì)6T多繩箕斗，單電機(jī)最大輸入功率為800KW，已經(jīng)達(dá)到最大單電機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，礦井最大提升能力為72萬噸/年（一鉤6T、25鉤/時(shí)、16小時(shí)/天、300天）。由于現(xiàn)在提升任務(wù)重，主井提升已嚴(yán)重制約了礦井的生產(chǎn)任務(wù)。為了改善這種情況提高生產(chǎn)能力，準(zhǔn)備對(duì)主井進(jìn)行改造，將6T箕斗更換為8T箕斗，單電機(jī)拖動(dòng)改為雙電機(jī)拖動(dòng)，電控系統(tǒng)改造為交-直-交高壓變頻調(diào)速提升機(jī)系統(tǒng)，改造后生產(chǎn)能力提高到95萬噸/年（一鉤8T、25鉤/時(shí)、16小時(shí)/天、300天），提升機(jī)達(dá)到最大的提升能力，電控改造后使提升系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，便于實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化運(yùn)行，有效地提高了系統(tǒng)的安全性，降低了司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)相比串電阻調(diào)速系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能效果。
初步方案設(shè)計(jì)為采用兩套高壓變頻調(diào)速裝置分別對(duì)兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行供電，其中兩高壓變頻裝置采用矢量控制、主從同步，保證兩電機(jī)的同步拖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)輸出同樣轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩、功率分配均勻，達(dá)到整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)平滑無脈動(dòng)，低速運(yùn)行平穩(wěn)的水平。如其中一路電機(jī)或變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，通過外部切換，可實(shí)現(xiàn)單電機(jī)全速半載正常運(yùn)行。
四、現(xiàn)場基本工況
基本參數(shù)：井塔型多繩摩擦式提升機(jī)，提升高度：522m，井塔高度： 43.95m鋼絲繩根數(shù)：4根；
提升機(jī)參數(shù)：型號(hào)：JKM-2.8/4（II），導(dǎo)向輪直徑：2.5m，主導(dǎo)輪直徑：2.8m；
減速機(jī)參數(shù)：型號(hào)：ZHD2R-140，減速比：10.5；
電機(jī)參數(shù)：#1電機(jī) YR800-10，800kW，593rpm，6000V，98A，上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司；#2電機(jī) YR560-10，800kW，592rpm，6000V，103A，佳木斯電機(jī)股份有限公司；
變頻器參數(shù)：型號(hào)：HARSVERT-FVA06/120，額定電壓6kV，額定電流120A，額定功率1000kW。現(xiàn)場情況如圖2、圖3所示。
圖2 現(xiàn)場電機(jī)與減速機(jī)
圖3現(xiàn)場主導(dǎo)輪（摩擦輪）
五、變頻器系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)介紹
此次變頻改造選用2臺(tái)型號(hào)為HARSVERT-FVA06/120的高壓變頻器。HARSVERT-FVA系列高壓變頻器是北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的新一代能量回饋型矢量控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用無網(wǎng)側(cè)電抗器的四象限單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，通過矢量控制算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確的控制。
由于受IGBT耐壓限制，6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用功率單元串聯(lián)模式，6kV系列有15個(gè)功率單元，每5個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，如圖4所示。我公司高壓變頻系統(tǒng)采用矢量控制，高壓變頻系統(tǒng)是速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)壓精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。
HARSVERT-FVA系列能量回饋型矢量控制高壓變頻器由激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜和控制柜組成，各柜體結(jié)構(gòu)如圖5所示
圖5、高壓變頻系統(tǒng)的構(gòu)成
下面根據(jù)柜子從左至右的擺放順序，逐一介紹變頻器各組成部分的結(jié)構(gòu)及作用。
變頻器上電時(shí)沖擊電流可達(dá)到電機(jī)額定電流的6-10倍，系統(tǒng)配置的激磁涌流抑制柜內(nèi)設(shè)有真空接觸器和限流電阻，可以有效限制變頻器高壓上電時(shí)的充電電流和激磁涌流，保證變頻器高壓上電電流限制在1倍額定電流之內(nèi)，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的零沖擊。具體功用：
�。�1）消除上電時(shí)對(duì)IGBT的沖擊，加強(qiáng)可靠性， 大大增加設(shè)備使用壽命；
�。�2）消除上電時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，避免電網(wǎng)電壓瞬間跌落，干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行。
變壓器柜內(nèi)裝有整流變壓器，該變壓器采用免維護(hù)型干式變，絕緣等級(jí)為H級(jí)，最高耐受溫度180℃。變壓器將網(wǎng)側(cè)高壓變換為副邊的多組低壓，為功率柜中的功率單元供電，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，其工作電壓由各個(gè)低壓繞組的輸出電壓來決定，工作在相對(duì)的低壓狀態(tài)，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。各功率單元間的相對(duì)電壓，由變壓器副邊繞組的絕緣承擔(dān)，避免了串聯(lián)均壓問題。變壓器設(shè)有溫控設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控其內(nèi)部溫度，在溫度較高時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，在溫度過高時(shí)發(fā)出跳閘信號(hào)。此變壓器與通用型高壓變頻器的變壓器比較，有兩點(diǎn)不同，1、因?yàn)槊總�(gè)模塊都要向電網(wǎng)回饋能量，所以變壓器每個(gè)繞組的阻抗要求比較均勻，造價(jià)比較高；2、此變壓器二次繞組無需移相。
功率柜中裝有功率單元，每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其主電路結(jié)構(gòu)為圖6。功率單元利用IGBT進(jìn)行同步整流，同步整流控制器實(shí)時(shí)檢測單元電網(wǎng)輸入電壓，利用鎖相控制技術(shù)得到電網(wǎng)輸入電壓相位，控制整流逆變開管關(guān)所構(gòu)成的相位與電網(wǎng)電壓的相位差，便可控制電功率在電網(wǎng)與功率單元之間的流向。逆變相位超前，功率單元將電能回饋給電網(wǎng)，反之電功率由電網(wǎng)注入功率單元。
圖6 功率單元內(nèi)部基本電路結(jié)構(gòu)
通過前部IGBT進(jìn)行三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓， 通過對(duì)后部的IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制實(shí)現(xiàn)單相逆變。當(dāng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，后部IGBT中的二極管完成續(xù)流外，又起全波整流，使能量能夠轉(zhuǎn)移到濾波電容中，結(jié)果母線電壓升高，達(dá)到一定程度后，啟動(dòng)前部IGBT，進(jìn)行SPWM逆變，通過輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過變壓器將能量回饋到電網(wǎng)，產(chǎn)品具備100%定額功率的能量回饋能力。
變頻器的輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖7所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度較長，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)。
圖7：高壓變頻器輸出線電壓波形
控制系統(tǒng)位于控制柜中，由主控制器（DSP）、人機(jī)界面（嵌入式工控機(jī)）、PLC三大部分構(gòu)成，三大部分各有分工，又互相通訊、協(xié)同工作。人機(jī)界面和主控制器及PLC之間均采用RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通訊協(xié)議為Modbus協(xié)議。主控制器和PLC之間采用I/O點(diǎn)及模擬信號(hào)線建立簡單通訊。
高性能交流傳動(dòng)系統(tǒng)均需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，因此利德華福研發(fā)了高性能矢量控制技術(shù)，可保證很高的精度和很準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速。整個(gè)系統(tǒng)采用高性能DSP微處理器，可以自動(dòng)檢測到電機(jī)的參數(shù)，建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過檢測電機(jī)的電壓和電流，對(duì)電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)的解耦控制，能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行主動(dòng)的限制，避免負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的過電流故障。
矢量控制產(chǎn)品的性能指標(biāo)為：調(diào)速范圍100:1，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0.5%，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間小于200ms，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩200%額定轉(zhuǎn)矩，基本達(dá)到國際先進(jìn)水平。采用DSP高性能矢量控制的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)整定、系統(tǒng)狀態(tài)變量的實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控等功能。
六、改造過程及方案調(diào)整
變頻器安裝完成后，首先進(jìn)行了主回路線路改造，然后將變頻器控制系統(tǒng)及單機(jī)高壓調(diào)試正常，同步進(jìn)行操作臺(tái)的固定安裝，連接操作臺(tái)與變頻器之間的連線，調(diào)試操作臺(tái)與變頻器的信號(hào)傳遞，正常后把變頻器和操作臺(tái)接入到原系統(tǒng)中統(tǒng)調(diào)，帶重載調(diào)試是改造中的重點(diǎn)部分。
空載調(diào)試時(shí)，兩臺(tái)設(shè)備使用帶編碼器的矢量控制、主從同步，發(fā)現(xiàn)同步效果不理想，運(yùn)行中減速機(jī)存在撞擊聲，不如VVVF控制方式穩(wěn)定。隨即果斷嘗試采用VVVF控制方式、自然同步，發(fā)現(xiàn)只在啟動(dòng)時(shí)兩電機(jī)速度稍有不同，加速過程中輸出電流有部分差距，到高速段兩電機(jī)輸出電流相當(dāng)，整個(gè)過程機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)效果良好�？紤]到兩臺(tái)電機(jī)廠家不同，電流及轉(zhuǎn)速參數(shù)也有差距，觀察單臺(tái)運(yùn)行時(shí)的發(fā)現(xiàn)兩電機(jī)的電流變化規(guī)律也不同，認(rèn)為空載滿足轉(zhuǎn)矩、功率分配平均原則。
帶載運(yùn)行后，對(duì)于從6.5-10噸不等的負(fù)載進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)負(fù)載越重兩電機(jī)平衡性越好，與用戶討論后，決定不采用矢量控制、主從同步方式，運(yùn)行VVVF控制、自然同步方式，該控制方式使兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率分配均勻，完全滿足工況要求。
七、改造后的效果
改造后，變頻器成功應(yīng)用于提升機(jī)生產(chǎn)，解決了原串電阻調(diào)速系統(tǒng)的各種弊端，優(yōu)勢如下：
（1）省去了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果；
�。�2）克服了接觸器、電阻器繞線電機(jī)電刷等容易損壞的缺點(diǎn)，降低了故障和事故的發(fā)生率，提高了系統(tǒng)的可靠性；
（3）啟動(dòng)柔和，轉(zhuǎn)矩大，實(shí)現(xiàn)了無級(jí)平滑調(diào)速，加減速快速平穩(wěn)。啟動(dòng)和加減速階段基本不存在機(jī)械沖擊，極大的延長了設(shè)備的使用壽命；
（4）自動(dòng)化程度高，操作簡單，主令手柄和制動(dòng)手柄在提升機(jī)運(yùn)行中基本不動(dòng)，降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度和操作難度，運(yùn)行平穩(wěn)無震動(dòng)，噪音低；
（6）基本無維護(hù)工作量，減低了維護(hù)人員的工作強(qiáng)度；
（7）系統(tǒng)具有更完善的軟硬件保護(hù)環(huán)節(jié)。
八、總結(jié)
該高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行1年。北京利德華福變頻器首次在雙機(jī)拖動(dòng)的提升機(jī)上運(yùn)行，取得圓滿成功，證明了利德華福在高壓傳動(dòng)領(lǐng)域上的雄厚技術(shù)實(shí)力。HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在龍?zhí)锩簶I(yè)的成功應(yīng)用，大大提高了主井提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，確保了主井提升機(jī)的高質(zhì)量運(yùn)行，為用戶創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。實(shí)踐證明，利用技術(shù)先進(jìn)、成熟安全的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以全面改善現(xiàn)場工況，提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度，節(jié)約電能。使用高壓變頻器可以大大降低現(xiàn)場維護(hù)量，帶來可觀的效益，切實(shí)響應(yīng)國家節(jié)能降耗的號(hào)召，值得大力推廣。
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