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能量回馈型高性能高压变频调速系统在矿井提升机上的应用

一、前言

龙煤团体双鸭山分公司集贤煤矿是一家从事煤炭开采多年的老矿,目前年产优质煤炭200万吨。该煤矿的 主井晋升机为双筒式矿井晋升机,滚筒直径为3.5米,提煤容器为箕斗,提媒工艺如下示意图:

该采煤晋升体系为目前中小煤矿广泛采纳,采纳箕斗作为晋升容器,一个箕斗在井底煤仓主动装载后,被晋升到地面卸载;另一箕斗由地面降落到井下煤仓处装煤。

箕斗通过机房的双滚筒带动,机房双滚筒采纳两台800千瓦电机通过减速机拖动,电机的调速方法采纳传统的串电阻调速方法,该调速方法属于后进技能,存在以下毛病:

(1)大批的电能耗费在转差电阻上,造成了严重的能源挥霍,同时电阻器的安装须要占用很大的空间。

(2)操纵体系繁杂,导致体系的故障率高,接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易毁坏,保护工作量很大,直接影响了生产效力。

(3)低速和爬行阶段须要依附制动闸皮摩擦滚筒实现速度操纵,特殊是在负载产生变革时,很难实现恒减速操纵,导致调速不持续、速度操纵性能较差。

  (4)启动和换档冲击电流大,造成了很大的机械冲击,导致电机的使用寿命大大下降。

(5)主动化水平不高,增添了开采成本,影响了产量。

(6)低电压和低速段的启动力矩小,带负载才能差,无法实现恒转矩晋升。

目前,变频器调速体系作为当前最先进的交换电机调速体系,越来越多的利用于各种交换电机拖动场所,作为矿井晋升机这种特别行业、特别负载,利用的案例还对比少,尤其是针对高压变频调速体系,双鸭山新立矿标新立异,敢于创新,通过多加比对,考核,抉择采纳北京利德华福电器技能有限公司生产的能量回馈型高性能矢量操纵变频器对原体系进行改革。

一、能量回馈型高性能高压变频器体系扼要介绍

北京利德华福电气技能有限公司生产的能量回馈型高压变频器属于高性能具备矢量操纵功效的新一代变频器,普遍利用于矿井晋升机、须要快速制动的风机以及大型轧钢机负载上,其基础组成为:激磁涌流克制柜、变压器柜、功率柜及操纵柜。装备原理如上图,现扼要阐明:

1) 涌流克制:变压器在受电瞬间,会发生激磁涌流,该数值在正常额定电流的6到8倍左右,在电网容量较小的情形下,可能引起电网急剧负向波动,影响其他装备的正常运行。为理解决该问题,北京利德华福针对该场所运行的变频器加装了激磁涌流克制柜,其重要组成部分为高压电阻及真空接触器,二者并联。当变频器受高压电瞬间,高压电阻串入变压器输入回路,通过电阻的限流作用下降激磁涌流,减小电网的负向波动。延时两秒钟后,受变频器操纵体系操纵,并接在高压电阻的真空接触器主动吸合,切除高压电阻,变频器投入正常运行。

2) 变压器:该变压器为移相变压器。移相变压器给每个功率模块供电,移相变压器的副边绕组分为三组,依据电压等级和模块串联级数,一般由24、30、42、48脉冲系列等构成多级相叠加的整流方法,可以大大改进网侧的电流波形(网侧电压电流谐波指标满足IEEE519-1992和GB/T14549-93的请求)。使其负载下的网侧功率因数接近1。由于变压器副边绕组的独立性,使每个功率单元的主回路相对独立,相似通例低压变频器,便于采纳现有的成熟技能。

3) 功率模块:功率模块是变频器中首要的组成部分,变频器输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电,通过对每个单元的PWM波形进行重组,可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好,dv/dt小,对电缆和电机的绝缘无毁坏,无须输出滤波器,就可以延伸输出电缆长度,可直接用于普通电机。同时,电机的谐波损耗大大减少,打消负载机械轴承和叶片的振动。对于能量回馈变频器的功率模块,其构造更为繁杂,功率单元的输入部分不再是整流二极管,而是可控的开关器件(IGBT),并在每个功率模块中加装电流检测装置,通过对输入部分IGBT的操纵,实现电流的双向流动,从而实现变频器的四象限运行功效。当某一个功率模块呈现故障时,通过操纵使输出端子短路,可将此单元旁路退出体系,变频器可降额机械运行;由此可避免很多场所下停机造成的丧失。

须要阐明的是,上述所有功效的实现,均由变频器的大脑――主控体系来实现,北京利德华福变频器的主控体系大体由高速单片机处置器、人机界面、PLC组成。单片机处置器应用公司具有自主知识产权的先进矢量操纵技能,通过光纤通信的方法对每个功率单元进行PWM操纵。人机操作界面解决高压变频调速体系本身和用户现场接口的问题,供应友爱的全中文监控界面,使用便利、快捷,同时可以实现远程监控和网络化操纵。内置PLC则用于柜体内开关信号的逻辑处置,可以和用户现场机动接口,满足用户的特别须要。

三、改革计划

原有的串电阻调速方法连续保存,通过切换开关将高压变频器融入到原体系,保证两个体系操作的相对独立性。当变频器投入运行时,闭合QS3、QS4,通过转子切换柜将绕线式异步电动机转子短接,则变频器投入矿井晋升机体系,变频器接收主控台指令正、反转及调速指令,驱动双电机同步调速正反转运行;当原有串电阻调速体系投入运行时,QS5、QS6 闭合,通过转子切换柜将原有电阻串入绕线式异步电动机转子回路,通过切换柜的变向及串入转子电阻的逐级切换,到达变向及调速的目标。上图中的QS3、QS4、QS5、QS6 等隔分开关相互之间维持机械互锁,且开关状况整个纳入主控台操作体系,这样,高压变频调速体系可以和原体系互为备用,增添矿井晋升机运行的可靠性。变频器本体部辩白明如下:

1)高压变频器采纳单元串联多电平拓补构造,输入谐波小,功率因数高;

2)高压变频器为可以四象限运行的能量回馈型变频器,采纳最先进的矢量操纵技能,加速时可以实现最大的转矩输出,加速光阴缩小至最短,而减速时,可以操纵电机在四象限运行,输出制动转矩,减速光阴缩至最短,同时,将势能转化为电能,回馈至电网,从而到达节能的目标;

3)斟酌到矿用电网容量较小,变频器配备激磁涌流柜,在变频器送电初期,将激磁涌流克制电阻投入主回路,延时两秒后,通过主动切换回路,切除激磁涌流克制电阻,通过此种技能计划,下降变压器激磁涌流,保证变频器瞬间投入时不对电网造成电压波动;

4)单台变频器直接拖动两台电机,简化操纵手法,下降故障风险。

四、变频器在矿井晋升机体系中的利用

图中为双鸭山集贤煤矿立井双箕斗晋升体系重要组成部分,体系中包含:电机、高压变频器、主控台、液压站、润滑站、高压开关柜、减速机、联轴器、双滚筒、箕斗、天轮及原串电阻调速体系,因本文重要讲述高压变频器在矿井晋升机体系中的利用,关于串电阻调速体系则在本文中不再详述。

图中,高压变频器作为动力调速装置,在全体晋升体系中起着举足轻重的作用,下面则对此进行详细阐明。

变频器通过高压开关柜受高压电,并且通过变频器操纵体系检测高压电的相序,电压等一系列参数,如果参数越过变频器正常范畴,则应用变频器自身的维护功效对变频器实行维护,为了下降变压器初期受电的激磁电流,避免受电时电网波动对其他运行装备的影响,该变频器配备了激磁涌流克制柜,下降激磁电流,下降电网波动的幅度。

变频器与主控台的接口重要如下:

变频器接收主控台的正转、反转、急停以及转速给定等指令,变频器反馈给主控台的信号有:待机、运行、轻故障、重故障、旁路故障、输出转速及输出电流等。

变频器受高压电后,主控台通过检测电机的待机信号,断定变频器已经可以运行,主控台在主动模式下,通过操纵变频器,实现矿井晋升机运行的5段速度曲线,即启动加速段、匀速段、一次减速段、匀速爬行段和二次减速制动段,下面一一阐明。

1) 启动加速段:主控台接收井下操作人员的打点命令,对变频器输出正转或反转命令,变频器遵照预先设定的加速光阴运行至最低频率,将运行信号反馈给主控台,此时作用于双滚筒上的抱闸体系处于抱闸状况,滚筒静止,拖动滚筒的电机处于堵转状况。主控台接管到变频器运行信号后,断定变频器输出电流,当检测电流到达电机额定电流后(双电机体系,额定电流为单电机额定电流的二倍),证明电机已经获得了足够的励磁转矩,因液压站液压阀的机械特征有时会产生渺小变革,为了避免溜车现象的产生,主控台在此稍做了延时,一秒钟后主控台驱动液压站液压阀,液压阀再驱动滚筒抱闸体系,松开抱闸体系,电机堵转收场,开端旋转,通过减速机,滚筒开端运行,从而通过钢绳拖动两只箕斗高下运行。变频器接收主控台转速给定信号,逐步进步运行频率,遵照预先设定的加速光阴逐步进步运行频率,滚筒转速逐步进步;

2 )匀速段:当转速给定指令进步至50赫兹,变频器运行至50赫兹时,进入匀速段,此阶段,变频器坚持最大输出,滚筒运行至最高速度,拖动箕斗在最高速度下运行;

3 )一次减速段:主控台通过立井体系的地位传感器接管箕斗运行地位信号,当达到一次减速区间的时候,主控台遵照预先设定的程序减小转速给定指令数值,变频器接管到新的转速给定数值后,实行,开端下降运行频率,拖动电机及滚筒减速运行。此时因箕斗之前还处于高速运行,突然降速后,由于惯性作用,电机进入发电状况,开端向变频器注入能量,变频器则应用自身的能量回馈功效,将此部分能量通过逆变回馈至电网,同时依据预先设定的降速曲线,对电机实行反作用力,到达快速降速的目标;

4 ) 匀速爬行段:主控台通过箕斗的地位传感信号,通过预设数值,给定变频器低转速数值,变频器在此转速信号下坚持低频率输出不变,箕斗低速运行,进入匀速爬行段;

5) 二次减速制动段:主控台通过箕斗的地位传感信号,断定箕斗即将进入预定停斗地位后,给变频器更低转速信号,变频器运行至最低频率,当箕斗即将达到预定地位后,主控台发出急停指令,变频器结束驱动电机,同时操纵液压站,关断液压阀,从而驱动滚筒抱闸体系,经过二级制动,抱闸体系抱去世,滚筒静止,箕斗停运,实行卸煤及装载流程。须要阐明的是,当主控台发急停指令的时候,变频器通过自身编程延时0.5秒结束频率输出,此种技能手法是为了保证在滚筒抱闸体系已经起作用的时候,变频器仍有短光阴力矩输出,防止抱闸体系抱闸瞬间变频器力矩输出为零,引起溜车现象,经现场重复运行,证明了该计划的可行性。

当然,在变频器运行的各个阶段,主控台通过轴编码器,辨别监测电机、滚筒的转速,除了显示箕斗运行速度、实时深度等数值,还通过多个速度监测成果综合断定体系运行是否正常,另外,通过立井地位传感器、绳索、润滑站、液压站、电机过热维护器等系列参数,实现矿井晋升机体系的上过卷、下过卷、松绳、润滑油油压过低或过高(润滑站重要是给减速机润滑)、液压站油压过高或过低、电机过载、绞车过速等一系列维护功效。

变频器的加减速光阴设置很首要,其设置基本原则有两个方面,第一,尽可能应用变频器自身的快速响应功效,加减速光阴尽量短,进步箕斗的运行速度,进步生产效力;第二,最大加速度不容许超过国度安标,防止安全事故,基于以上两点斟酌,实际利用中,变频器从0至50赫兹的加速光阴设置为12秒,从50赫兹至0赫兹的减速光阴设置为9.7秒,经现场实际运行,完整满足现场运行请求。

变频器运行中,不但自身具备完美的各项维护功效,还可以应用接口电路实时将故障信息传送给主控台,实现联锁维护,最大限度地保证矿井晋升机体系的安全运行。

下面是一组现场重要装备实图,今展现出来,进步感性认识。

五、变频器在实际中利用遇到的问题及解决措施

实际调试历程中,曾经遇到如下问题:每次主控台给变频器正转或反转指令,变频器开端启动,在抱闸体系松开之前,晋升机体系减速机部分都会产生“咣、咣”两声对比大的声响,很显明,不但发生噪音,而且对减速机的机械部分也是一种侵害。细心剖析问题,最后把眼光定在了电机与减速机之间的联轴器上,实物图如下:

蛇形弹簧联轴器属于一种构造先进的金属弹性变刚度联轴器,它靠蛇簧嵌入两半联轴节的齿槽内来传递扭矩,重要由两个半联轴节,两个半外罩,两个密封圈及蛇形弹簧片组成。联轴器以蛇形弹簧片嵌入两个半联轴节的齿槽内,来实现自动轴与从动轴的链接。运转时,是靠自动端齿面 对蛇簧的轴向作用力带动从动端,来传递扭矩,如此在很大水平上避免了共振现象产生,且簧片在传递扭矩时所发生的弹性变量,使机械体系能获得较好的减震后果,其平均减震率达36%以上。蛇形弹簧片采纳优质弹簧钢制作经过严峻的加工,处置具有良好的机械性能,使联轴器的寿命比非金属弹性元件联轴器大为延伸。

问题就是出在蛇形弹簧联轴器上。因变频器为了满足现场快速启动的请求,设置了转矩晋升功效,加大启动转矩,加速光阴又很小( 从0到50赫兹之间仅为12秒) ,这样一来,当变频器启动,电机很快得到足够的励磁转矩,电机堵转,电机急速运行至变频器最低频率。此时,电机转矩较大,通过联轴器直接驱动减速机,减速机自动轮和从动轮之间是有间隙的,因此时抱闸体系处于抱闸状况,滚筒还处于静止状况,则减速机自动轴与从动轴齿轮间敏捷产生碰撞,产生“咣”一声响,然而,变频器在低转速下,其输出转矩很显然无法和工频输出时相比,这样,当减速机自动轴齿轮与从动轴齿轮之间产生第一次碰撞后,因蛇形弹簧联轴器的弹性作用,瞬间发生反作用力矩,弹性越大,反作用力矩越强,而变频器此时输出的转矩则很难继续对抗该反转矩,于是,蛇形弹簧联轴器带动电机瞬间反转,自动轴齿轮与从动轴齿轮之间又一次产生碰撞,又产生一次“咣”的声响,直至再次驱动从动轴时,此时滚筒抱闸体系已经松开,电机开端正常运行,则再无该机械声响。下一次,晋升机从静止状况到运行状况,则现象依旧。

基于以上剖析,最后,我们应用变频器先进的设置功效,在变频器加速光阴上作了一些窜改,将原有的加速光阴分作三段,其中,在第一段加速光阴为0至4赫兹2秒,第二段加速光阴为4到15赫兹2秒,15至50赫兹加速光阴为8秒。这样,保证在全体加速光阴12秒不变,而重要是应用第一段加速光阴来解决机械撞击的问题,即,当变频器接管到正转或反转指令后,启动,此时,电机的启动转矩根据第一段加速光阴而逐步建立,其转矩的晋升不再是瞬间至最大值,,而是有了一个斜度,作用在蛇形联轴器的力矩是个逐步增添的历程,充沛应用了蛇形联轴器的弹性功效,不致于蛇形联轴器弹性过大,造成反力矩从而冲击从动轮,当力矩至最大时,滚筒抱闸体系已经松开,晋升机体系开端晋升,一切恰到利益,再无“咣、咣”的机械声响,问题得到彻底解决。

六、改革前后变频器与原串电阻调速体系的对照

七、收场语

绕线式电机转子串电阻调速,电阻上耗费大批的转差功率,速度越低,耗费的转差功率越大。使用能量回馈型变频调速,是一种不耗能的高效的调速方法。电机在发电状况下运行时还可以将能量回馈至电网,节能十分明显,取得了很好的经济效益。另外,晋升机变频调速后,体系运行的稳固性和安全性得到大大的进步,减少了运行故障和停工工时,节俭了人力和物力,进步了运煤才能,间接的经济效益也很可观。

本文来自:中国传动网