匯川技術HD92四象限高壓變頻器在礦井提升機的應用

摘要：本文著重介紹匯川技術HD92四象限高壓變頻器在云南某現場提升機上的應用。提升機采用變頻調速后，與之前轉子串電阻調速方式相比較，在操作性、可靠性及維護性上有了很大的改善和提高，與此同時，在產量增加的前提下，還具有一定的節(jié)能效果。 一、設備工況     此次項目為云南某煤業(yè)集團下屬子礦的主井提升系統(tǒng)，之前采用轉子串電阻的調速方式，在使用過程中存在諸多安全隱患，為提高系統(tǒng)的安全性，在我司的建議下，客戶最終決定采購一整套變頻電控系統(tǒng)，將之前的調速系統(tǒng)徹底替換。 提升機系統(tǒng)相關參數： 提升機型號：JK-2?1.8                    卷筒個數：1 卷筒直徑：2000 mm                       卷筒寬度：1800 mm 鋼絲繩最大直徑：24 mm                   最大靜張力：60 kN 電動機參數： 電動機型號：YKKPT 5002-8                額定功率：250 kW 額定電壓：10000 V                        額定電流：20.6 A 額定轉速：740 r/min                       功率因數：0.76    根據電機額定功率，綜合考慮電動機功率因數偏低、使用現場2000m海拔等多方面因素，匯川技術提供的變頻器型號為HD92-J100/400-RB，完全滿足現場使用要求。

圖一：絞車滾筒

二、變頻改造的必要性     改造之前的提升機電控系統(tǒng)中，電動機采用傳統(tǒng)的轉子串電阻調速方式，隨著電力電子技術的持續(xù)發(fā)展，該調速方式已經屬于非常落后的一種調速技術，面臨著被淘汰的局面。該調速方式主要存在以下問題： （1）提升機頻繁啟動與制動，在加、減速過程中，轉子上所串的電阻會產生嚴重的能耗，浪費大量電能； （2）轉子串電阻調速系統(tǒng)中，大量電能消耗在轉子所串的電阻上，能量以熱的形式消耗掉，導致周圍環(huán)境溫度升高、工作環(huán)境變差； （3）轉子串電阻調速系統(tǒng)存在控制電路復雜、工作穩(wěn)定性和可靠性差、缺乏故障診斷功能等問題； （4）啟動時沖擊電流大，造成很大的機械沖擊，大大降低電動機的使用壽命； （5）轉子串電阻調速系統(tǒng)屬于有級調速方式，調速范圍窄，調速精度差，爬行時速度不易控制，特別是在重車下放時，需要動力制動、轉子串電阻及制動閘瓦配合操作，絞車司機操作困難，不易控制，安全性能差； （6）轉子串電阻調速系統(tǒng)電動機均采用繞線式電動機，存在有滑環(huán)接觸不良、維護工作量大、維護費用高等缺點。     針對上述問題，礦方經過多方考察生產廠家及現場實際使用情況，最終決定重新采購一套電控系統(tǒng)，電動機采用匯川公司的HD92型四象限高壓變頻器驅動，徹底替換掉之前使用的調試系統(tǒng)。采用這種新型的電控調速方案，大大提高了整個提升機系統(tǒng)安全可靠性、控制精度及調速性能，在提高用戶生產效率的同時，還起到了節(jié)能減耗的目的。 三、匯川技術HD92四象限高壓變頻器拓撲優(yōu)勢     國內市場上絕大多數高壓變頻器均采用功率單元串聯多電平結構，其中，功率單元采用兩電平拓撲結構，10kV高壓變頻器每相由8或9個功率單元組成，整機由24或27個功率單元組成，具有功率單元數量眾多，體積大的缺點。根據此種情況，匯川公司創(chuàng)新性的提出了三電平功率單元串聯多電平結構，使得每個功率單元具有更高的輸出電壓，10kV高壓變頻器整機只需要15個功率單元（6kV整機只需要9個功率單元組成），從根本上減少了功率單元數量，減小了變頻器整機體積。10kV高壓變頻器整機拓撲圖如圖二：

圖二：10kV四象限高壓變頻器拓撲

    功率單元采用三電平拓撲結構，中心點采用二極管鉗位，整個功率單元由AFE整流、直流濾波、逆變三大部分組成，拓撲結構如圖三：

圖三：功率單元拓撲結構

    當變頻器輸出轉速和輸出轉矩方向一致時，電機處于電動機狀態(tài)，此時，功率單元AFE側從電網獲取有更多的功功率，提供給電機轉化為機械能；當變頻器輸出轉速與輸出轉矩方向不一致時，電機處于發(fā)電機狀態(tài)，此時，產生的電能會將功率單元的母線電壓抬高，AFE側迅速將多余的能量回饋到電網。 四、提升機高壓變頻技術方案     改造內容：現有電控系統(tǒng)全部拆除，重新采購一整套新的絞車系統(tǒng)，其中操作臺采用兩臺可編程控制器，其中一臺為主控機負責提升機的主程序，第二臺為監(jiān)控機負責信號打點、語音報警和后備保護，兩臺PLC有主有從，互有分工，相互監(jiān)視實現了安全回路的雙線制。使用變頻器驅動電機，變頻器型號為HD92-J100/400-RB，采用遠程控制方式，由操作臺的PLC將控制指令傳送到變頻器，控制框圖如圖四：

    操作臺PLC與變頻器之間采用硬線連接方式，通過4~20mA模擬量信號調速，驅動電機在0~50Hz范圍內運行。具體接口信息如圖五所示：

圖五：接口信息圖

    變頻器采用兩線式控制模式，通過DI9、DI10兩個端口分別控制變頻器正、反轉，頻率給定采用4~20mA模擬量信號，對應變頻器輸出頻率0~50Hz；     變頻器控制采用開環(huán)矢量控制技術，無需安裝編碼器作速度閉環(huán)控制，可根據電機運行電壓及電流自行解耦出電機實時運行狀態(tài)。 五、變頻改造優(yōu)勢 1、節(jié)能：相比較于之前的轉子串電阻太偶素方式，采用變頻調速后，在生產力提升30%的情況下，用電量節(jié)約超過20%； 2、系統(tǒng)安全性得到提升：采用變頻調速之后，系統(tǒng)能夠按照設計的速度曲線自主的進行提升速度的精確控制，降低了系統(tǒng)的操作難度，避免了超速、過卷的發(fā)生，極大的提升了整個系統(tǒng)的安全性； 3、功率因數顯著提高：功率因數將從轉子串電阻調速的0.8左右提高到0.95以上，大大提高了設備對電網容量資源的利用率，減少了因無功電流引起的線路損耗。 4、提高生產效率：改造后，變頻器加速時間10s，減速時間10s，大大縮短了每次的提升時間，提高了生產效率。徹底解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中用制動閘瓦或電機斷電自然減速來操控低速運行時速度波動大、難于控制又不安全的難題。 5、設備維護量減少：在整個提升過程中完全依靠電力牽引與制動，制動閘瓦只需在停車和安全回路保護動作時才進行抱閘，因此，大幅度的減少了閘瓦的磨損。 6、工作環(huán)境得到改善：取消了原有的大功率調速電阻，徹底解決了電阻發(fā)熱導致環(huán)境溫度高的問題，大大改善了運行現場的工作環(huán)境。 7、啟動時對電網沖擊?。鹤冾l器為最好的軟啟動裝置，啟動時對電網的沖擊小于一倍電流。

圖六：變頻器啟動電流

六、匯川技術HD92四象限獨有優(yōu)勢 1、低速運行性能優(yōu)越：采用磁鏈閉環(huán)矢量控制技術，除具有電流、電壓閉環(huán)外，還具有磁鏈閉環(huán)的特性，不依賴電機參數，解決了傳統(tǒng)矢量控制低頻控制效果差的缺點，在低頻時依然能夠可靠驅動電機，不會出現電機轉速波動等情況； 2、無編碼器矢量控制：大多數高壓變頻器廠家在提升機應用上，需在電機軸上安裝編碼器進行速度閉環(huán)控制，在實際應用時，安裝編碼器非常困難且容易損壞；匯川技術HD92四象限高壓變頻器采用開環(huán)矢量控制，無需安裝編碼器，實際應用結果表明，匯川變頻器在不加裝編碼器的情況下，控制性能依然優(yōu)越于大多數廠家； 3、低頻大扭矩特性：采用磁鏈閉環(huán)矢量控制技術，具有優(yōu)越的低頻特性，采用開環(huán)矢量控制時，在0.5Hz就能夠輸出150%額定轉矩，確保提升機在低速運行時，依然有足夠的轉矩輸出，不會出現拖不動、溜鉤、怠速抱閘等現象； 4、啟動平滑無沖擊：采用磁鏈閉環(huán)矢量控制技術，勵磁電流和轉矩電流完全解耦控制，在啟動過程中，輸出電流完全受控，不會出現啟動沖擊電流； 5、諧波?。翰捎肁FE可控整流，網側功率因數獨立可控，接近于1，且每個功率單元配備有獨立的PFC電抗器，確保對電網沒有任何諧波污染； 6、體積?。翰捎昧巳娖焦β蕟卧?， 10kV（6kV）整機只需要用15（9）個功率單元，相比較于其他廠家，功率單元數量大大減少，從而減小了整機體積； 七、結束語     通過對原有系統(tǒng)的優(yōu)化改造，大大改善了煤礦提升機的運行效率，從而在降低機械磨損、沖擊的同時，提高了企業(yè)生產能力。     匯川技術的HD92四象限高壓變頻器，采用磁鏈閉環(huán)矢量控制技術，在提升機應用中，可以采用不安裝編碼器的方案。從實際效果看，運行曲線平滑，完全可以滿足使用要求。