基于高压变频控制在主井提升系统应用.pdf

基于高压变频控制在主井提升系统应用周光和(河南能源集团 永煤公司 陈四楼煤矿河南 商丘)摘 要:本文围绕高压变频控制在主井提升系统中的应用路径开展分析阐述变频系统中功率单元和控制系统的设计方法探究高压变频器工作原理阐述技术要点以河南能源集团永煤公司陈四楼煤矿为研究对象得出实施高压变频控制后产生的直接与间接效益关键词:煤矿高压变频器主井提升系统中图分类号:.文献标识码:文章编号:()矿井提升可以理解为沿矿井井筒向外运输矿石、废石、升降人员和机械设备 煤矿提升机不仅需具备极强的电气传动性还要求电气系统具备定位、动态响应和调速等功能 根据调查以往的矿井提升机大多数采用交流绕线电机转子实现调速控制此类技术落后难以保证最佳运行效果经常会因转子串电阻产生高能耗且控制线路复杂维修难度较高电阻器、接触器等设备容易损坏 因此笔者提出采用高压变频系统以及高压变频设备保障提升机安全、无级变频调速对提高电控装备水平具有较高的应用价值 基于高压变频控制在主井提升系统应用路径分析.变频系统变频调速系统是指借助改变电动机电源频率达到速度调节的目的属于一种高效率、高性能的调速手段 组成元素主要分为以下两部分:.功率单元变频部分采用现阶段我国普遍使用的功率单元串联 桥型多电平模式在设计上属于模块化设计整个功率单元具有相同的电气与结构性能实现相互交换 功率单元本质上交直交的三相整流逆变电路拓扑能将放电板、(绝缘栅双极型晶体管由双极型三极管与绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件)驱动板和机板涵盖在内位于整流侧的脉动直流经电容器过滤后可作为可靠的直流电源 借助正弦(脉冲宽度调制)可实现 逆变桥的调控能够输出正弦单相交流 制动 可以利用制动电阻释放直流侧较高的能量结合过压抑制器避免电压的波动超标防止功率器件损坏过压抑制器可以在极短时间内对尖峰电流与电压实现导通分流具有保护流量大、残压较低、响应时间快、内置热保护、带有电源状态指示、结构严谨和工作稳定的优势能够切实保护逆变电路 功率器件可通过热管散热技术实施散热处理热管散热技术的轴向传热量较大轴向与径向的温度梯度较小轴向导热量与对流相比可忽略不计能够满足电子设备对散热装置紧凑、可靠控制灵活、无须维修的要求可提高功率器件的安全性 另外全部变频功率单元能够显示故障信息和中间电压在产生故障时自动保护将信号传送至控制柜实现停机.控制系统控制系统的组成主要包括:单片机作用在于完成网络控制与 波生产控制工控 机是指一种采用总线结构的计算机用于提供 操作能够呈现监控界面也能远程监控可以锁存变频单元在实现放电操作时产生的故障是指可编程逻辑控制器专门用于工业环境下的数字运算操作电子系统利用可编程的存储器在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、计数以及算术运算等指令采用数字式、模拟式的输入/输出实现对机械设备的控制 对于开关量信号的处理效率较高能实现连锁故障与运行充分结合场地结构与用户要求进行适当调整 功率单元与控制系统都可通过光纤传导技术实现低压与高压部分的隔离提高系统安全性有效抵御电磁干扰保证稳定运行.高压变频器高压变频器是指用于改变输出频率与电压控制交流电压电动机转速的一种调速设备 以 系列的高压变频系统为例组成元素主要包括功率柜与主控柜相较于高压型变频器与高电流型变频器系列的变频调速系统更像是一种节能型产品通过结合 脉冲调制技术及数字控制技术保证系统运行稳定最大程度上减少能源使用 功率柜在设计时能够实现 波叠加保证较高的正弦波输出质量通过光纤隔离技术最大程度上避免电磁干扰保证变压器的安全使用.技术要点将高压变频控制应用在煤矿主井提升的主要目标在于:将老系统作为备用实现手动切换工频 一方面借助 电控系统及高压变频器改造原有系统切实解决以往电能消耗较大的问题在采用变频系统后直接利用调节电源频率的方式实现串入电阻调速达到无级调速目的 另一方面做好手动工频旁路的系统配置出现系统故障及时切换至原有的转子串电阻调速系统即便在系统维护时也不会影响提升机系统的正常使用在采用高压变频控制时还要注意高压变频器的元构件保持完整要求技术手段先进适应恶劣使用环境高压变频器需做到四象限运行切实解决以往存在的能量回归问题保证在电气减速过程中电子系统仍然能将再生电能送至电网在启动力矩、加速力矩时需要充分遵循安全标准要求启动转矩在两倍以上额定电功率下可以实现连续作业 还要注意在额定电流条件下要具有一分钟保护时间保证数字控制功能完整调速性能平滑精度高转矩低速爬行过程中需要维持恒定速度.应用效果.直接效益采用高压变频器后大幅度减少电能损耗节省每个提升循环周期使用的时间提高循环次数保证在产能充足情况下扩大提速空间 高压变频控制系统在使用后产生故障问题异常运行及时通过投入应用模块化设施的方式或是缩短功率单元的方法减少因维修造成的停机时间减少故障发生概率.间接效益工频以下高压变频设备可以利用无级调速不间断地调整电源频率结合软启动电机减少启动电流对减速器电机产生的冲击影响延长系统使用年限减少操作人员的劳动强度 高压变频装置由于采用无谐波特点能保证电机运行时不会污染电网 根据测试高压电频系统投入使用以来主井提升设备的功率因数得到大幅度增强 相较于传统系统装置的故障概率明显降低切实解决以往存在的系统备件问题 通过模块化设计简化维修难度即便产生模块故障可及时完成更换 利用引入单元串联变频调速技术实现系统的多速度等级平稳运行 利用矢量控制技术在转子磁场定位坐标下实现电子电流的分解达到控制电机转矩的目的 最后由于高压变频控制采用了 完成同步整流能更好地检测电网的输出电压情况结合锁相控制技术实现相位与电网电压的相位差控制实时调整电网与功率单元的电功率流向 工程案例.项目概况笔者以河南能源集团永煤公司陈四楼煤矿作为研究对象该井田面积约.目前剩余可采储量达 万 矿井的核定提升能力约 万/矿井采用的提升机型号为.主电机为 提升方式采用立井提升井筒深度在 左右 提升机属于 型电控采用逐级切除电阻的形式实现加速及调速功能 调速功能本质上属于有级调速范围较小精度尚未达到预期标准调速不够平滑容易对设备产生高强冲击提高设备的故障概率爬行速度也难以有效控制因此安全性不佳 利用转子串电阻的调速形式会在一定程度上加剧能源损耗导致再生电能基本消耗在电阻上不利于运行维护会产生较高的维护费用若使提升装置稳定安全运行最大程度上保障主井提升机的可靠性需要充分结合高压变频技术及高压变频设备使其稳定运行在正转、反转、制动发电反馈四象限上切实满足煤矿安全规程 中的标准要求 具体改造目标为:切实解决工频切换电阻电控时调速不平滑问题减少对设备的冲击强度降低故障形成概率提高故障查询效率减少耗电量使主井提升机平稳运行.改造方案高压变频装置采用的运行方式为交直交主回路的开关元件为 根据调查此类开关软件的耐压程度有限难以实现逆变输入 开关频率较高不利于匀压难以有效完成直接串联 为此矿建单位通过高压变频装置实现功率单元的串联借助叠波升压的工作方法利用低压变频器的成熟技术确保主井提升机的安全使用 根据实际调查本次矿井项目的高压变频装置采用新型的 主控器件采用数字化液晶触摸屏控制 该元器件的性能水平较高易于操作通过结合矢量控制变频技术有效实现提升机的四象限运行增强提升机的电机控制效果 其中四象限的转速与转矩方向相反电机处于发电状态即回馈制动 将电机运行速度确定为数轴 表示电磁转矩方向将电机电磁转移方向采用 轴表示代表电机转速旋转方向打造平面坐标系 第一象限表示正转电动转速与转矩旋转方向一致属于正常电动模式第二象限为电机正转转矩相反电机处于发电状态即回馈制动第三象限表示反转制动转速与转矩方向相同代表电动模式第四象限转速与转矩方向相反电机为发电状态表示回馈制动实际应用过程中高压变频装置需要采用正弦波空间矢量形成三相电压指令结合逆变器功率单元串联完成高压输出 采用的变压器由多个绕组形成每组分配多个功率单元利用 脉冲整流确保输入端的谐波成分不超过安全标准.高压变频器高压变频器对于主井提升机系统意义重大属于电控系统的核心部分具有多个与电控系统适配的接口可以接收各类操作指令如开机、停机、正转、反转也能将工作频率、电源电压和故障信息及时传输到电控系统中 变频器本质上可以理解为将工作信息及状态自动记录的电控设备便于工作人员查阅与使用内置的功率单元、输入/输出接口采用隔离设置防止对功率单元的干扰 功率单元本身具备逆变能量反馈功能电机处于制动状态电源也会自动启动有源逆变将电机具备的机械能转化为电能最终反馈至电网中操作台由 系统及继电器组成利用液晶显示器显示外部接点动作状态结合 工作状况观察模拟量回路情况便于开展检修工作 操作台本身具备开关量功能提供必要的提升数据如安全回路指示灯、高低压表电流表等.技术要点在应用高压变频调速过程中需要注意数字电路要实现双线制运行确保主井提升机能从以往的能耗制动转变为自动发电反馈结合矢量控制技术达到启动力矩最大化的目的 充分发挥 的技术优势利用计算功能保证主井提升机具有健全的软硬保护功能满足设备的频繁启停要求 相较于传统的电控系统高压变频控制的优势更加明显主要表现在以下几方面:主井提升机能够在四象限运行过程中保持稳定各类参数远优于同类产品控制系统的高压主电源为实现双回路供电操作便捷输入谐波与输出谐波的含量更低输入功率因数甚至达 容抗电路能起到治理奇次电波的作用 即便不采用滤波设备也能实现功率因数补偿保证普通电机的直接驱动高压 变 频 控 制 更 适 合 运 用 在 变 频 器 工 作 电压 的区间 的系统能稳定运行在 电压的条件下高压变频器具有限流功能能有效防止在负载时因突然变化导致输出电流过高造成的保护动作 操作平台采用显示触摸屏系统易于使用整体设备结构更加紧凑相较于我国同容量的产品柜体宽度仅达到.上位控制功能更加健全能够与 系统实现通信交流 至于冷却风机在应用高压变频系统后实现主电压的降压作业从而直接驱动不仅可以避免冷却风机在启停过程中对系统产生不良影响也能最大程度上延长冷却风机的使用寿命 此外高压变频系统中的功率单元模块化设计维护更加便捷现场接线更加简单最大程度上缩短安装周期.应用效果根据实际调查应用高压变频控制系统后主井提升机能够适应频繁启动的工况要求实现低速转矩运行设备至今运行状况良好对电机、钢丝绳并未产生机械损伤证明系统安全性能极佳 在减速过程中利用变频器完成自动调速结合实际需求投入制动闸不会磨损闸盘节电效果显著能够保证电机出力需求一致避免能源浪费减少维护费用 此外主井提升机在实现变频调速控制后操作便捷能够保证较大的调速范围启动特性更加优良动态响应及时调节精度更高 结论综上所述通过分析讨论高压变频控制在主井提升系统中的应用路径以河南能源集团永煤公司陈四楼矿井作为研究对象研究主井提升系统的改造方法阐述变频系统的设计方式 应用效果显示使用高压变频控制后明显改善了主井提升系统的运行效率功率因素超过.能降低设备故障概率延长使用寿命参考文献:任剑军.高压变频一体机在综采工作面刮板输送机的应用分析.煤():.刘永跃.提升机全数字交流高压变频电控系统的应用研究.晋控科学技术():.王春成王萌王光磊.高压变频调速水泵技术在安阳市西区供水中的应用.城镇供水():.王庆洲许涛.高压变频远控技术在井下设备地面化中的设计应用.煤矿现代化():.屈永强.火电厂节能改造中高压变频调速技术的应用.能源与节能():.作者简介:周光和()男 苗族 贵州剑河县人 本科助理工程师 研究方向:矿山机电运输