高压变频器在山东煤矿提升绞车上的应用

1用户简介 
     山东明兴矿业集团有限公司座落在莲花山下、汶水之畔，位于新泰市城区西十公里小港村西，是一家以煤为主、多业并举的综合性生产企业集团，属国有中型二级企业。小港煤矿是明兴矿业集团的下属煤矿之一，矿井煤田范围处于新汶煤田北部，新汶向斜的北翼，井田东西走向长7km，南北宽0.5km，面积3.4889km2，现矿井地质储量3134.1万吨，可采储量1884.1万吨，核定为90万吨/年。副井提升机为双筒式矿井提升机，现场设备如图1所示。
 

电机的调速方式采用传统的串电阻调速方式，该调速方式属于落后技术，存在以下缺点：
(1)大量的电能消耗在转差电阻上，造成了严重的能源浪费。
(2)控制系统复杂，导致系统的故障率高，接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏，维护工作量很大，直接影响了生产效率。
(3)低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制，特别是在负载发生变化时，很难实现恒减速控制，导致调速不连续、速度控制性能较差。
(4)启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机的使用寿命大大降低，而且极容易出现“掉道”现象。
(5)自动化程度不高，增加了开采成本，影响了产量。
(6)低速段的启动力矩小，机械特性比较软，带负载能力差，无法实现恒转矩提升。
 针对以上这些问题，煤矿决定对原系统进行改造。根据当今科技的发展，采用技术含量较高的变频调速，替代原来的绕线电机串电阻调速，是较理想的方案。经矿方多方面考察多个用户现场，最终选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP37-280T型高压变频器提升系统。
2 新风光高压提升机变频器系统的特点
    新风光电子公司是国内最早的从事提升机变频器研究的专业厂家，风光牌高压提升机变频器被列入国家火炬计划，产品荣获国家重点新产品、山东省科技进步奖，产品被列入国家重点节能技术推广目录第一批名单，风光高压提升机变频器填补了单元串联式多电平高压变频器不能四象限运行的国内空白，产品技术具国内领先水平。
2.1系统介绍
    JD-BP37-280T型高压提升变频调速器采用进口IGBT为主控器件，采用先进的矢量控制调速技术，以DSP为控制核心，精心巧妙科学的程序逻辑，以彩色液晶触摸屏为人机对话界面，科学人性化的界面语言，全中文的语言显示，便于操作及查询。风光牌高压提升机变频器，即可用于鼠笼式电机也可用于绕线式电机，即可用于新矿井配套安装，也可用于老矿井改造。风光6kV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如图2所示。功率单元电路如图3所示。
 

    控制器核心由高速32位芯片运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。人机界面提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。PLC控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。控制器及各控制单元板中采用先进的单片机等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。此外还有一个CPU，负责管理LED显示屏和键盘。
    另外，控制器与功率单元之间采用多通道光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，并且各个功率单元的控制电源采用一个独立于高压系统的统一控制器，方便调试、维修、现场培训，增强了系统的可靠性。
    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。它接受操作台电控系统的操作命令，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，依据用户要求连接打印设备，每班数据打印，形成设备报表。变频器的所有输入、输出接口均进行了隔离，避免对变频器引入干扰。当电机处于负力提升时，变频器实时检测进行能量回馈电网。
2.2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，以彩色液晶触摸屏为主要显示设备，显示各外部接点动作状态，各模拟量回路状态等，视觉更加直观，便于维护保养工作。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。控制回路既有触摸屏软节点控制，减少按钮及继电器触点的维护量，又有继电器线路硬接点的控制，应急备用。双PLC及双控制回路的操作台系统更加经济安全可靠。
3 改造方案
3.1原提升设备参数
    副井提升绞车为双筒式矿井提升机，型号为2JK-2.5/20，双滚筒单绳绕线式，滚筒直径是2.5米，直井，单罐笼。主要作为人员及辅料的运输，启动频繁，负载变化范围大。
 提煤容器为箕斗，提媒工艺如图4所示：
 

主要设备参数如表1所示。
 

3.2高压变频器参数
    风光高压提升机变频器为可以四象限运行的能量回馈型变频器，采用最先进的矢量控制技术，加速时可以实现最大的转矩输出，加速时间缩小至最短，而减速时，可以控制电机在四象限运行，输出制动转矩，减速时间缩至最短，同时，将势能转化为电能，回馈至电网，从而达到节能的目的。风光高压提升机变频器具体参数如表2所示。
 

3.3改造方案
    依据生产情况确定设备改造时间定于2011年9月中旬进行。为不大面积影响煤矿生产，把辅料预先下放到位，间歇性停机改造。改造顺序如下:
 (1)先把变频器安装到位，初步调试正常。
(2)然后进行主回路线路改造，主回路改造原理如图5所示：
 

    图5中K1、K2、K3为三台高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K1、K3与K2采用电磁互锁操动机构，实现电磁和机械互锁。K4为转子侧双掷开关，变频运行时，K4切换到变频侧，绕线电机转子线圈经双掷开关K4后处于短接状态；工频运行时，K4切换到工频侧，绕线电机转子线圈经K4接至原调速电阻装置。当K1、K3闭合，K2断开，K4切换到变频侧，电机变频运行；当K1、K3断开，K2闭合，K4切换到工频侧，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。另外，为了保证安全，变频器高压连跳信号和上一级的高压断路器也实现互锁，变频器高压连跳串入上一级高压断路器的脱扣线圈，变频器出现故障时，上一级的高压断路器断开，实现高压故障连跳功能。
(3)接下来进行操作台的固定安装，连接操作台与变频器之间的连线，调试操作台与变频器的信号传递，正常后把变频器和操作台联入到原操作系统中统调，带重载调试这是改造中的重点部分。整个改造工程流程如图6所示：

     (4)高压变频调速提升系统可以实现提升绞车的自动运行和手动运行两种方式：
①自动运行方式
    正常工作状态下，利用变频器及操作台内PLC丰富的编程控制能力，通过设置适当的参数，变频器完全实现自动化运行，极大地提高了提升机的运行效率及运行安全，大大降低了司机操作工的劳动强度。自动运行速度如图7所示：
 

图7中，以正转为例，开机时低速爬行时间t1、收到减速信号后减速动作时间t2、中速运行时间t3、停机前爬行时间t4根据现场情况可以自由设置。提升机运行过程中，除开、停机外，可以不需要人工干预。
② 手动运行方式
    手动和自动运行方式可在操作台进行选择，特殊负载运行需要的情况下可用手动方式，操作者通过主今控制器控制电机转速，以实现电机的爬行、加速、减速、恒速运行，但在系统给出减速信号后，为保证整个系统安全，变频器仍然会启动机内自动减速程序。
3.4变频器与主控台的接口
 变频器与主控台的接口主要如下：
     变频器接受主控台的正转、反转、急停以及转速给定等指令，变频器反馈给主控台的信号有：待机、运行、轻故障、重故障、旁路故障、输出转速及输出电流等。
     变频器受高压电后，主控台通过检测电机的待机信号，判断变频器已经可以运行，主控台在自动模式下，通过控制变频器，实现矿井提升机运行的5段速度曲线。
3.5变频器有关参数设置
    变频器的加减速时间设置很重要，其设置根本原则有两个方面，第一，尽可能利用变频器自身的快速响应功能，加减速时间尽量短，提高箕斗的运行速度，提高生产效率；第二，最大加速度不允许超过国家安标，防止安全事故，基于以上两点考虑，实际应用中，变频器从0至50Hz的加速时间设置为11s，从50Hz至0Hz的减速时间设置为7s，经现场实际运行，完全满足现场运行要求。
4现场应用情况及运行效果
    从目前运行情况看，副井提升绞车变频改造后，实现了电动机的真正软启动，缩短了提升时间，减少维护工作量，提高了生产效率。大大提高了提升机的安全运行。高压提升机变频器现场运行如图8所示。
 

绞车改造后，整个变频提升系统具有如下特点：
(1)变频系统甩掉了原电控调速用的交流接触器及调速电阻，提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境。
(2)实现了绞车电机的软起动和软停止，使运行更加平稳，机械冲击小。
(3)启动及加速过程冲击电流小，加速过程中最大启动电流不超过1.3倍的额定电流，提升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速，也没有大电流出现，大大地减小了对电网的冲击。
(4)增加了直流制动功能，使重车停车时更加平稳。
(5) 节能效果显著。据实测，在低速段节能明显，一般可达到20%左右。采用回馈制动，节能效果越明显。
(6) 保护功能齐全，除了过压、欠压、过载、过热、短路等自身保护外，还设有外围控制的连锁保护，包括制动闸信号与正、反转信号的连锁，变频器故障信号与系统安全回路的连锁，机内备有自动减速程序等。对提升机运行过程中的参数及可能危及提升机正常运行的设备进行监测，并具有故障显示、报警功能。
(7) 减少维护工作量，缩短了提升时间，提高了生产效率。
 鉴于风光高压提升变频系统改造的良好效果，同期改造的主井提升系统也采用新风光电子公司生产的高压提升机变频器。
 参考文献
[1]山东新风光电子使用手册[Z] 山东新风光电子科技发展有限公司
 作者简介
 鹿海云 女 技术员 供职于矿综合利用发电有限公司。