煤矿提升绞车高压变频电控系统在井下的应用

0 引言 查找国内外关于斜井提升机调速电控系统的有关资料发现，煤矿提升机的驱动电动机一般采用三相绕线式异步电动机，其调速方法是在电动机转子回路中接入金属电阻，用主令控制器逐段切除电阻来达到加减速和调速的目的。采用转子串电阻调速的电控系统，这种系统的制动方式为能耗制动，制动所产生的能量全部消耗在电阻上。电动机转子串电阻调速系统的调速属有级调速，开环控制，调速范围小，调速精度低，爬行速度不易控制，尤其是重物下放时，需要动力制动与转子串电阻及制动闸配合操作，司机不易控制，安全性能差。在减速时和下放重物时，投入动力制动，不仅消耗外加直流电能，而且还将电动机上的再生电能消耗在转子串接的电阻上，浪费了大量的电能，且运行维护量大，维护费用高。还有一种控制方式是变频控制，但仅限于 660V 或 380V 低压等级系统。 目前国内外通用变频技术，四象限变频技术， PLC 绞车电控技术已很成熟，应用已非常广泛。但 6000V 绞车变频电控系统未见报道和应用。 据调查了解，国内外至今没有适用于我国煤矿井下提升机的 6000V 绞车变频电控系统。将 6000V 四象限变频技术、 PLC 绞车电控技术在井下斜井提升机上进行综合应用并满足《煤矿安全规程》的要求，使设备达到各项保护完善的目的是事在必行的，也是矿井斜井提升机安全、高效提升的有效途径。 1 技术关键 （ 1 ）数字本安电路实现斜井防爆提升机的双线制运行。 （ 2 ）将创造单元串联多重化技术的国产高压变频器应用于矿山提升机的记录。 （ 3 ）变频调速实现斜井提升能耗制动转为发电反馈制动。 （ 4 ）采用矢量控制技术，实现低速大转矩，起动力矩大的目的。 （ 5 ）充分发挥 PLC 的数字化、网络化及计算功能，使提升机具有更完善的软硬件保护功能，各主要保护实现双线制。 ( 6 )满足提升机频繁起停要求。 ( 7 )满足井下100%的湿度要求。 2项目实施情况 （ 1）现有技术及基础条件 峰峰集团九龙矿是年设计能力 120 万吨的矿井 , 目前开采一水平煤层 , 正在为二水平开采做开拓延伸工程 。 高压变频器在风机、泵类应用已经比较成熟 ,PLC技术和低压变频器在提升机的应用也日趋成熟。 (2)现场设备情况 峰峰集团九龙矿井下南二绞车环境恶劣，电控系统改造时，正值夏日，井下雾气大，车房潮湿度极高；同时受我矿矸石电厂影响，电压波动范围高达 5700V-6800V ，南二坡巷道破坏严重， 6KV 提升绞车四象限高压变频电控系统能否适应如此恶劣的环境，经受住工业性试验的考验，是三方攻关人员面临的挑战。经过三方共同的努力，解决了实验中出现的问题，使绞车的各项运行指标达到了设计要求，绞车达到了改造的目标。 · 南二车运行参数及环境条件 型号 JK-2K 主电机功率 240KW 额定电压 : 三相 AC6KV 最大速度 4m /s 斜坡长度 930m 该绞车承担九龙矿井下南二地区物料、人员、设备的运输任务，负荷在 15 吨范围内无规律变化，南二轨道坡有 7 个片口，绞车启动停止频繁。 (3) 6KV 绞车变频调速电控系统 6KV 绞车变频调速电控系统主要有变频器、操作台和传感器。现分述如下： ①新风光电子公司 JD-BP37 型高压提升变频调速器 JD-BP37 型高压提升变频调速器采用新型 IGBT 为主控器件，全数字化，彩色液晶触摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标，采用先进的矢量控制变频调速技术完成提升机的四象限运行，用于鼠笼式电机或绕线式转子串电阻电机控制，即可用于新矿井安装，也可用于老矿井改造。风光高压提升变频器，采用若干个低压逆变器功率单元串联的方式实现直接高压输出，所用的 6kv 高压提升变频器，变压器有 18 组付边绕组 ，每相 分为 6 个功率单元 ，三相共 18个单元， 采用 36 脉冲整流，输入端的谐波成分远低于国标规定。高压提升变频器系统结构图如图1所示。功率单元电路结构如图2所示。 图 1 高压提升变频器系统结构图 Fig.1 high voltage promotion inverter system structure drawing 图 2功率单元电路结构 Fig.2 power unit electric circuit structure 高压提升变频器是整个电控系统的一个核心部分，它具有与电控系统相适配的各种接口。它接受电控系统的操作命令，包括开停机、正反转、抱闸信号及速度命令，按照操作命令进行，同时它又将运行状态，包括工作频率、电机电流、电源电压、电流及故障信息随时送给电控系统。变频器本身又将工作信号及工作状态自动记录以备查阅。变频器的所有输入、输出接口均进行了隔离，也避免对变频器引入干扰。 经过研究，决定选用我山东新风光电子科技发展有限公司生产的 JD-BP37-300T 高压提升变频器对该绞车电机进行调速。 ·新风光电子公司 JD-BP37-300T 高压提升变频器主要性能指标 变频器功率 300KW 额定输出电流 36A 输入频率 50Hz ± 5Hz 额定输入电压 6KV 允许电压波动 ±20% 输入功率因数 ≥ 0.98 输出频率范围 0~50Hz 输出电压范围 0~6KV 频率分辨率 0 .01Hz 加速时间 可由用户生产工艺设定 减速时间 可由用户生产工艺设定 变频器效率 ≥96% 操作键盘 中文彩色液晶触摸屏 界面语言 简体中文 过载能力 100% 连续 160% 连续 1min 220% 允许 1.5S 可提供直流制动 、回馈制动等多种制动方式。 可满足电动机的四象限工作要求。 ② 操作台（双 PLC 系统和中间继电器） 操作台上设有各种工况显示设备，以彩色液晶显示屏为主要显示设备，可以观察 PLC 运行情况，各外部接点动作状态， 各模拟量回路状态等，更加方便维修工作。同时还具有必要的开关量、模拟量的数字显示，可以独立提供必要的提升数据，其中包括：安全回路指示灯，油压数字显示液压表，减速、故障声光报警显示，高、低压表 , 电流表等。 ③ 各种传感器。 3 6KV 绞车变频调速电控系统电气保护实验 该系统具有以下几种保护： （ 1 ）立即安全自动故障：该类故障综合在硬软件安全电路中。安全电路正常时吸合，有紧急故障时释放。一旦安全电路释放，就会立即封锁变频器，跳制动油泵，并控制油压系统电磁阀实施安全制动，抱安全闸。主要的安全制动故障有： ① 转动系统故障：如主回路和控制回路电源故障 , 主电机过温、堵转 , 变频器故障等。 ② 过卷故障。 ③ 超速故障：如等速、超速 , 减速段定点超速和连续超速等。 ④ 紧急故障。 ⑤ 液压制动系统故障：如制动油泵跳 , 系统油压高等。 ⑥ 错向。 ⑦ 测速机、轴编码器断线（深指断轴）。 ⑧ 松绳故障。 （ 2 ）先电气制动、后安全制动故障：这类故障发生后，转动系统会自动进行减速，当速度降到爬行速度时会立即转为紧急制动。这类故障主要有：事故停车，闸瓦磨损。 （ 3 ）完成本次开车后、不允许再次开车故障：开车前如出现这类故障，则开不起车；如在运行过程中出现，则允许本次开车完成，但不允许下次开车，除非故障解除后。这类故障主要有指电机过温报警 , 液压站油温过高等。 我们进行了过卷、超速、错向、编码器断线、松绳、过载、欠压、缺相、闸瓦磨损等保护实验，结果各项保护均能可靠动作，且显示灵敏正确，达到了设计要求。 4 6KV 绞车变频调速电控系统运行实验记录 在电控系统的实验过程中，我们对绞车的运行状况进行了连续的监测记录，主要有以下几个方面。 （ 1 ） 6KV 绞车高压变频电控系统在环境潮湿度极大的情况下，连续安全运行 8 个月无事故。 （ 2 ）绞车高压变频电控系统实现了四象限连续安全运行。我们特别对下放重物的过程进行了实验，下放 6 个砟罐时，速度最大时（ 4m/s ）时的电流进行统计，如下表所示： 表 1 电流统计表 Tab.1 table of electric current statistical （ 3 ） 6KV 绞车高压变频电控系统能够适应绞车频繁启动停止的工况要求。九龙矿井下南二坡有 7 个片口，需要上下人员、物料、设备等，每天开车可达 60 多勾，经过 8 个月的运行无事故，证明该系统能满足绞车频繁启动停止的工况要求。 （ 4 ） 6KV 绞车高压变频电控系统实现了低速大转矩运行，在 2005 年 12 月份的九龙矿南翼 220 工作面安装，综采支架运输过程中，由于轨道坡条件恶劣，出于安全考虑，需要绞车低速运行，变频绞车电控系统充分发挥其低速时可大转矩运行的特点，既安全又高效地完成了支架运输任务。 （ 5 ）在实验过程中，绞车启动平稳，加速过程正常 。 绞车运行过程中，司机通过主令手把调整变频器的输出频率 , 实现无级调速，减速点实现自动减速，停车平稳。 5 6KV 绞车变频调速电控系统运行整体情况和结论 6KV 绞车变频调速电控系统于 2005 年 8 月在九龙矿投入工业运行，至今设备运行良好，工作可靠，大大提高了系统的安全性能，降低了电耗及维护费用，实现了绞车安全高效的目的。 绞车变频调速电控系统 具有控制性能优良 、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点，随着<