新庄煤矿主井交流电控系统改造方案的探讨

摘 要：本文叙述了主井交流电控存在的问题以及系统改造的可行性。分析了改造方案的选择、比较，具体剖析了转子变频的可行性方案研究。能够增强机电设备的自动控制，提高工作效率，高产高效、有效利用资源，促进矿井安全生产。 关键词:交流电控系统；选型；方案研究 1 概况 主井提升机1997年进行改造，电控设备由天津民益电气有限公司生产，机械设备由洛阳中信公司生产，投入运行10年时间，设备运行比较稳定，故障率较低。但是由于矿井生产压力大，运行负荷较重，多年的长时间大负荷运行，机械设备损伤比较严重；电控设备更新换代很快，10年前的设计已经淘汰，新的技术不断应用，设备安全可靠性、控制性能、节能效果已经有了质的飞跃，针对老的高压交流提升机设备也有了完善可靠的变频调速改造方案，因此，从设备的更新换代、节能提效等方面考虑，现有设备都有改造的必要。 2 基本参数 井深： 408米 井架高度：43.2米 提升机型号：2JK 减速比： 14.308 提升速度： 7.5米/秒 提升时间：75秒 电机型号： YR800-12/1430（双机拖动） 功率： 800KW 转速： 493RPM 定子电压： 6KV 定子电流： 97.5A 转子电压： 894V 转子电流： 555A 3 设备改造的目的意义 主井提升设备设计生产于1997年，随着技术水平的不断发展，有些设计已经显得落后，一些PLC元件设备已经更新换代，老的元器件无法购买备件。随着生产力水平的不断提高，目前的提升速度已经不能满足原煤生产的需要，是限制矿井进一步提高煤炭产量的瓶颈，急需提高提升效率，加大提升量。 此次改造，拟采用目前最先进的电控设备，实现提升机的变频调速控制；完善全数字PID控制、保护；应用工业现场网络技术；在装备水平、安全可靠性等方面，达到一个全新的高度。 改造的目的是提高提升效率，这可以通过提高等速度来实现，改变提升等速度对绞车机械强度、钢丝绳强度要求基本不变，如果通过增加变频器输出频率的方法完成，则使用原有设备即可实现。 3.1 现有设备运行参数 (1) 加、减速度：a1=a2=0.7米/秒2 (2) 等速度：Vm=7.5米/秒 (3) 爬行速度：Vp=0.5米/秒 (4) 爬行距离：Hp=3米 (5) 运行时间参数如下 根据计算得出现有设备最佳单勾运行时间为T=11+43+10+10=74秒，实测提升时间为75秒。 3.2 改造提速10%，运行参数 (1)加、减速度：a1=a2=0.7米/秒2 (2) 等速度：Vm=8.25米/秒 (3) 爬行速度：Vp=0.5米/秒 (4) 爬行距离：Hp=3米 (5) 运行时间参数如下 根据以上计算得出，经过变频改造并提高等速速度10%，达到8.25米/秒以后，最佳单勾运行时间为T=11.78+37.33+11.07+6=66秒，由于变频调速特性好，可以保证每钩提升时间误差很小，可以保证实际运行和设计相符。 3.3 改造前、后提升效率的比较 (1) 现有设备经过现场实测提升循环时间为95秒一勾，其中绞车运行时间为75秒，休止时间为20秒，每小时提升勾数3600/95=38勾，每天工作20小时，每年工作日300天，每年的提升勾数为38*20*300=228000勾。 (2) 变频设备提升休止时间保持不变，仍为20秒，提升运行时间为66秒，单勾运行时间为20+66=86秒，每小时提升勾数为3600/86=42勾，每年提升勾数为42*20*300=252000勾。 (3) 二者比较：每年提升勾数增加252000-228000=24000勾，每勾提升重量12.5吨，每年增加产量12.5*24000=30万吨。按照每吨煤价值500元计算， 每年增加产值300000*500=15000万元。 3.4 高效的能量回馈功能（节电30%以上） 变频器采用PWM整流技术, 满足四象限运行要求,实现能量回馈。根据变频器在其他各行业中的应用，节能效果明显，均在30%以上。以我矿年产240万吨煤计算，年可节约140万余度电，按0.5元/度计算，即可节约70万余元/年。 通过改造提高产量、节能降耗，可以增加产值一亿五千零七十万余元。 4 改造方案的选择、比较： 4.1 TKD-PLC可控硅转子编码电阻调速系统 可以使用原有高压绕线电机，转子串电阻调速，电控系统基本原理与目前在用设备相同，PLC逻辑控制部分采用西门子网络型分布式CPU，速度闭环控制和安全保护由全数字PID完成，双PLC、双线制保护符合煤矿安全规程的最新要求。通过采用更高减速比的减速箱，提高绞车速度，实现生产效率的提升。 4.1.1 优点 （1）系统成熟可靠，现场维护人员熟悉设备情况，便于维护使用； （2）多级编码启动效果较好，网络化PLC、全数字PID使技术先进设备简化； （3）系统投资较少，可以使用现备用电机，节省设备投资。 4.1.2 缺点 （1）技术落后、电阻调速性能较差； （2）转子电阻启动，电能浪费严重。 4.2 直流电控系统： 4.2.1 优势 （1）直流调速设备应用较多，技术成熟可靠； （2）去掉了减速箱，设备简化，故障减少； （3）直流电机调速性能好，可以保证不同负荷变化时，运行速度图基本一致； （4）高效节能。 4.2.2 缺点 设备投资较大,需新购置电机,低速直流电机价格高,现场维护困难。 4.3 转子变频电控系统 最新开发的变频技术－转子变频电控系统，解决目前高压交流绕线电机变频调速问题的新方法，设计思路新颖，利用成熟的低压变频技术，向高压交流绕线电机转子输入交流变频电源，从而达到变频调速的目的。（天津民益电气有限公司此项技术已经在2007年3月通过国家级技术鉴定，并于2007年7月取得专利授权） 4.3.1 优点 (1)低压变频技术成熟，应用广泛，配套方便； (2)原有电机可以充分利用，降低改造成本； (3)通过简单转换即可完成TKD电阻系统的备用，使系统可靠性更高； (4)调速特性与直流系统相同； (5)高效节能。 4.3.2 缺点 变频器技术复杂，现场人员很难维护。 5 转子变频电控系统设备组成及其技术特点 5.1 技术特点 高压绕线电机转子变频技术，采用低压通用变频器，通过高压绕线电机转子供电，而将电机定子短封，实现高压绕线电机的变频调速，使交流提升机实现无级调速，达到理想的运行速度图。 系统具有的优点和积极效果：由于高压绕线电机转子变频调速控制系统采用上述结构，以利用目前成熟的低压通用型矢量控制变频器技术，对高压绕线电机的定子短封后，可以实现高压交流绕线电机的变频调速，因为高压绕线电机的转子电压较低，转子变频器的电压等级只要与电机转子电压匹配即可，这就使用低压变频器解决高压电机的变频调速问题。与高压定子变频调速控制相比，设备简单、通用性强、可靠性高。 5.2 与其他控制方式的对比 (1) 电机不变，直接选择高压变频器。这个方案对高压变频器的可靠性有较高要求，现场应保留原电阻启动设备，作为高压变频的备用。 (2) 电机更换为相同功率、转速的低压鼠笼电机，选用低压变频器。如果原设备高压绕线电机的功率不大，可以更换为同样功率、转速的低压鼠笼电机。此方案的优势在于低压变频器性能可靠，价格适宜，已经被大家认可。 (3) 保留原电机，采用转子变频技术。优势在于，既可以保留原有的电机，又可以选择性能可靠的低压变频器，原有的转子电阻控制系统还可以作为转换方案与变频调速互为备用。 三种方案的比较 高压变频方案 低压电机方案 转子变频方案 变频器的选用 高压矢量控制变频器 ●低压矢量控制变频器 ●低压矢量控制变频器 变频调速性能 大多数为压频比控制方式，不适合提升工况 ●矢量控制，适应恒转矩运行 ●矢量控制，适应恒转矩运行 节电效果 ●四象限、二象限运行 ●四象限、二象限运行 ●四象限、二象限运行 电机 ●系统原有高压电机 更换低压鼠笼电机 ●系统原有高压电机 备用 ●转子电阻系统仍可作为备用，需要时进行转换。 无 ●转子电阻系统仍可作为备用，需要时进行转换 设备成本 所用元件较多，技术难度大，成本较高。 ●低压通用型变频器，采购方<