淺談高壓提升機(jī)變頻器在煤礦副井上的應(yīng)用

1引言

山西蘭花煤炭實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司唐安煤礦，是蘭花公司屬下一個(gè)前景廣闊的現(xiàn)代化礦井。該分公司前身唐安煤礦，始建于建國(guó)初期，組建蘭花集團(tuán)前，屬高平市市營(yíng)煤礦?，F(xiàn)占地面積55萬(wàn)平方米，井田面積29.95平方公里，屬沁水煤田腹地，地質(zhì)儲(chǔ)量3.39億噸，工業(yè)儲(chǔ)量2.23億噸，可采儲(chǔ)量1.37億噸。年生產(chǎn)能力150萬(wàn)噸。

礦井提升機(jī)是煤礦的關(guān)鍵設(shè)備，它肩負(fù)著井上井下的物體運(yùn)輸?shù)闹厝?。是一種大型提升機(jī)械設(shè)備。由電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備，以帶動(dòng)鋼絲繩從而帶動(dòng)容器在井筒中升降，完成輸送任務(wù)。礦井提升機(jī)是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來(lái)。現(xiàn)代的礦井提升機(jī)提升量大，速度高，安全性高，已發(fā)展成為電子計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)重型礦山機(jī)械。礦井提升有主井提升和副井提升之分，主引提升的作用是沿井筒提升有益礦物（如煤炭等），礦井提升機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動(dòng)系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測(cè)速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成，采用交流或直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。按提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機(jī)和摩擦式礦井提升機(jī)。副井提升的主要作用是沿井筒提升矸石、下放材料、升降人員或設(shè)備等。礦井提升機(jī)在整個(gè)煤礦生產(chǎn)中占有重要的地位。

礦并提升機(jī)作為礦山最大的電氣設(shè)備之一，其耗電量占礦山總耗電量的30%—40%，并且運(yùn)行特性復(fù)雜，速度快，慣性大，一旦提升機(jī)失去控制，不能按照給定速度運(yùn)行，就可能發(fā)且超速、過(guò)卷等重大安全事故，造成設(shè)備損壞甚至人員傷亡，給礦山帶來(lái)重大人事和財(cái)產(chǎn)損失。

原副井提升機(jī)系統(tǒng)采用交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，由于該系統(tǒng)調(diào)速精度低，可靠性差，維護(hù)費(fèi)用大，蘭花集團(tuán)唐安煤礦領(lǐng)導(dǎo)通過(guò)考察國(guó)內(nèi)用戶現(xiàn)場(chǎng)使用提升機(jī)變頻器的情形后，決定選用新風(fēng)光JD-BP37-280T型（280KW/6KV）高壓提升機(jī)變頻器，對(duì)副井提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)改造。交流電動(dòng)機(jī)，是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種機(jī)器。交流電動(dòng)機(jī)主要由一個(gè)用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子組成。電動(dòng)機(jī)利用通電線圈在磁場(chǎng)中受力轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象而制成的。交流電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，并且定子和轉(zhuǎn)子是采用同一電源，所以定子和轉(zhuǎn)子中電流的方向變化總是同步的，即線圈中的電流方向變了，同時(shí)電磁鐵中的電流方向也變，根據(jù)左手定則，線圈所受磁力方向不變，線圈能繼續(xù)轉(zhuǎn)下去。交流發(fā)動(dòng)機(jī)就是利用這個(gè)原理而工作的。

2原礦井提升機(jī)系統(tǒng)概述

2.1系統(tǒng)參數(shù)

2.1.1礦用提升機(jī)



2.1.2減速器



2.1.3三相異步電動(dòng)機(jī)



2.2交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)

在加速過(guò)程中，交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4逐級(jí)吸合，轉(zhuǎn)子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。如果要求電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行，則需在轉(zhuǎn)子回路串較大電阻。為了解決減速段的負(fù)力要求，通常采用動(dòng)力制動(dòng)方案，即將定子側(cè)的高壓電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施加低頻電源，讓電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電伏態(tài)。交流接觸器是廣泛用作電力的開(kāi)斷和控制電路。它利用主接點(diǎn)來(lái)開(kāi)閉電路，用輔助接點(diǎn)來(lái)執(zhí)行控制指令。主接點(diǎn)一般只有常開(kāi)接點(diǎn)，而輔助接點(diǎn)常有兩對(duì)具有常開(kāi)和常閉功能的接點(diǎn)，小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。交流接觸器的接點(diǎn)，由銀鎢合金制成，具有良好的導(dǎo)電性和耐高溫?zé)g性。當(dāng)線圈通電時(shí)，靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力，將動(dòng)鐵芯吸合，由于觸頭系統(tǒng)是與動(dòng)鐵芯聯(lián)動(dòng)的，因此動(dòng)鐵芯帶動(dòng)三條動(dòng)觸片同時(shí)運(yùn)行，觸點(diǎn)閉合，從而接通電源。當(dāng)線圈斷電時(shí)，吸力消失，動(dòng)鐵芯聯(lián)動(dòng)部分依靠彈簧的反作用力而分離，使主觸頭斷開(kāi)，切斷電源。

這種拖動(dòng)方案存在的問(wèn)題是：

（1）開(kāi)環(huán)有級(jí)調(diào)速，加速度難以準(zhǔn)確控制，調(diào)速精度差；

（2）觸點(diǎn)控制，大量使用大容量開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)維護(hù)工作量大，可靠性差；

（3）運(yùn)行效率低，在低速時(shí)大部分功率都消耗在電阻上；

（4）電機(jī)的機(jī)械特性偏軟，一般電阻上消耗的功率約為電動(dòng)機(jī)輸出功率的20%—30%；

（5）接觸器經(jīng)常吸合與斷開(kāi)，噪音比較大。雖然這種調(diào)速方案控制方式簡(jiǎn)單、初期設(shè)備投資較低，但技術(shù)性能和運(yùn)行效率低，許多中小礦井的提升機(jī)仍采用該種調(diào)速方案。


圖1 轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)

3高壓提升機(jī)變頻器系統(tǒng)原理

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

JD-BP37系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6KV系列有18個(gè)功率單元，每6個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。

3.2功率單元電路


圖2 功率單元電路

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)有圖2所示，為基本的交-直-交雙向逆變電路。圖中通過(guò)整流橋進(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(guò)對(duì)逆變塊B中的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，逆變塊B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)逆變塊A，進(jìn)行SPWM逆變，通過(guò)輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過(guò)變壓器將能量回饋到電網(wǎng)。SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

3.3輸入側(cè)結(jié)構(gòu)

本機(jī)中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成36脈沖整流方式；這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低。實(shí)測(cè)在90%-105%額定輸入電壓額定電流下，輸入電流總相對(duì)諧波含量小于4%.

另外，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，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。

3.4輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

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(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖3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(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，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)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。


圖3 變頻器輸出的線電壓階梯PWM波形

3.5控制器

控制器是按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)和反向的主令裝置。控制器是整個(gè)CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR（InstructionRegister）、程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）和操作控制器0C（OperationController）三個(gè)部件組成，對(duì)協(xié)調(diào)整個(gè)電腦有序工作極為重要。