淺談高壓提升機變頻器在煤礦副井上的應用

1引言

山西蘭花煤炭實業(yè)集團有限公司唐安煤礦，是蘭花公司屬下一個前景廣闊的現(xiàn)代化礦井。該分公司前身唐安煤礦，始建于建國初期，組建蘭花集團前，屬高平市市營煤礦?，F(xiàn)占地面積55萬平方米，井田面積29.95平方公里，屬沁水煤田腹地，地質(zhì)儲量3.39億噸，工業(yè)儲量2.23億噸，可采儲量1.37億噸。年生產(chǎn)能力150萬噸。

礦井提升機是煤礦的關鍵設備，它肩負著井上井下的物體運輸?shù)闹厝巍Ｊ且环N大型提升機械設備。由電機帶動機械設備，以帶動鋼絲繩從而帶動容器在井筒中升降，完成輸送任務。礦井提升機是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來。現(xiàn)代的礦井提升機提升量大，速度高，安全性高，已發(fā)展成為電子計算機控制的全自動重型礦山機械。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），礦井提升機主要由電動機、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成，采用交流或直流電機驅(qū)動。按提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機和摩擦式礦井提升機。副井提升的主要作用是沿井筒提升矸石、下放材料、升降人員或設備等。礦井提升機在整個煤礦生產(chǎn)中占有重要的地位。

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

原副井提升機系統(tǒng)采用交流電動機轉(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，維護費用大，蘭花集團唐安煤礦領導通過考察國內(nèi)用戶現(xiàn)場使用提升機變頻器的情形后，決定選用新風光JD-BP37-280T型（280KW/6KV）高壓提升機變頻器，對副井提升機系統(tǒng)進行系統(tǒng)改造。交流電動機，是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的一種機器。交流電動機主要由一個用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子組成。電動機利用通電線圈在磁場中受力轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象而制成的。交流電動機由定子和轉(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)動機就是利用這個原理而工作的。

2原礦井提升機系統(tǒng)概述

2.1系統(tǒng)參數(shù)

2.1.1礦用提升機



2.1.2減速器



2.1.3三相異步電動機



2.2交流電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)

在加速過程中，交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4逐級吸合，轉(zhuǎn)子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。如果要求電動機低速運行，則需在轉(zhuǎn)子回路串較大電阻。為了解決減速段的負力要求，通常采用動力制動方案，即將定子側的高壓電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施加低頻電源，讓電動機工作在發(fā)電伏態(tài)。交流接觸器是廣泛用作電力的開斷和控制電路。它利用主接點來開閉電路，用輔助接點來執(zhí)行控制指令。主接點一般只有常開接點，而輔助接點常有兩對具有常開和常閉功能的接點，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，由銀鎢合金制成，具有良好的導電性和耐高溫燒蝕性。當線圈通電時，靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力，將動鐵芯吸合，由于觸頭系統(tǒng)是與動鐵芯聯(lián)動的，因此動鐵芯帶動三條動觸片同時運行，觸點閉合，從而接通電源。當線圈斷電時，吸力消失，動鐵芯聯(lián)動部分依靠彈簧的反作用力而分離，使主觸頭斷開，切斷電源。

這種拖動方案存在的問題是：

（1）開環(huán)有級調(diào)速，加速度難以準確控制，調(diào)速精度差；

（2）觸點控制，大量使用大容量開關，系統(tǒng)維護工作量大，可靠性差；

（3）運行效率低，在低速時大部分功率都消耗在電阻上；

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

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


圖1 轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)

3高壓提升機變頻器系統(tǒng)原理

3.1系統(tǒng)結構

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

3.2功率單元電路


圖2 功率單元電路

每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其主電路結構有圖2所示，為基本的交-直-交雙向逆變電路。圖中通過整流橋進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，通過對逆變塊B中的IGBT逆變橋進行正弦PWM控制實現(xiàn)單相逆變。當電機進入發(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，結果母線電壓升高，達到一定程度后，啟動逆變塊A，進行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)。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重要結論：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，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，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關器件的通斷，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區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(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輸入側結構

本機中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成36脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低。實測在90%-105%額定輸入電壓額定電流下，輸入電流總相對諧波含量小于4%.

另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術。

3.4輸出側結構

輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，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，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。


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控制電動機的啟動、調(diào)速、制動和反向的主令裝置。控制器是整個CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR（InstructionRegister）、程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）和操作控制器0C（OperationController）三個部件組成，對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作極為重要。