矿场提升装置电气系统节能设计_全小伟.pdf

38电工电气电工电气 (2023 No.3)作者简介：全小伟(1996)，女，助教,硕士,研究方向为电力电子与电力传动。全小伟1，汪政2，刘杰3(1 安徽信息工程学院 电气与电子工程学院，安徽 芜湖 241199；2 联合汽车电子有限公司，上海 201206；3 武汉船用机械有限责任公司，湖北 武汉 430084)摘 要：目前大型矿场使用的提升装置存在控制精度低、调速性能不佳、电能消耗较大等明显缺点。采用基于变频调速控制方法协同超级电容储能技术，开展提升装置电气系统的节能设计，在改善提升装置的控制精度和调速性能的同时，采用超级电容储能技术回收储存电机制动电能；在特殊情况下，释放超级电容储存电能，为系统正常运行提供电力保障。结果表明，提升装置调速工况时控制精度得到明显改善，系统调速性能良好，超级电容储能可实现对制动电能的存储与合理应用，满足系统节能要求。关键词：提升装置；变频调速；能量回收；超级电容；矢量控制中图分类号：TH211 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2023)03-0038-05 Abstract:The lifting device used in large mines has some obvious disadvantages of low control accuracy,poor timing performance and large power consumption.To solve these problems,the paper combines frequency control method with super-capacitor energy storage tech-nology to improve the energy-saving of electrical system of the lifting device.With the adoption of super-capacitor energy storage technolo-gy,this design can recover and store the electric energy from the motor braking while improving control accuracy and timing performance.In some special cases,the power stored by the super-capacitor is also released to ensure the normal running of the system.The results show that the improved design of the lifting device not only increases control accuracy and timing performance under frequency control condition,but also realizes the storage and reasonable application of braking energy to meet the energy-saving requirement of the system through using the super-capacitor.Key words:lifting device;frequency control;energy recovery;super-capacitor;vector controlQUAN Xiao-wei1,WANG Zheng2,LIU Jie3（1 School of Electrical and Electronic Engineering,Anhui Institute of Information Technology,Wuhu 241199,China;2 United Automotive Electronic System Co.,Ltd,Shanghai 201206,China;3 Wuhan Marine Machinery Plant Co.,Ltd,Wuhan 430084,China）Energy-Saving Design for Electrical System of the Lifting Device Used in Mines矿场提升装置电气系统节能设计0 引言作为现代工业生产中的重要机械提升设备，矿场提升装置是联系地面和井下的主要运输工具，承担着物料提升、人员上下、材料和设备运输等重要任务，在整个矿场的开采中起到了至关重要的作用1。此外，提升装置也影响着生产企业运转高效、安全和经济。矿场提升装置具有单机容量大、装机套数多等特点，是主要耗能设备2-3。由于提升装置应用工况的特殊性，使得拖动电机需满足四象限运行特性，并要求电机在四象限内频繁地起动、制动以及反向周期性运行。因此，提升装置电气系统性能的提高至关重要。矿场提升装置电气系统的改进方法大致可分为三类，分别是直流改造方案、变频改造方案和交流改造方案4。其中，变频改造方案是研究最多的方案。针对煤矿提升装置运行中振动冲击大、经济性差等缺陷，参考文献 5 提出变频调速控制装置，对提升装置运行过程进行变频调速，降低了提升装置运行时对机架的冲击，并实现了电控系统的节能。参考文献 6 在分析变频调速技术的基础上，将基于矢量控制的变频调速方法应用在提升装置的作业中，显著提升了装置运行质量和稳定性，改善了运矿场提升装置电气系统节能设计39 电工电气电工电气 (2023 No.3)输的安全性。在提升装置调速系统中，由变频器实现对系统速度的调节。变频器由主电路和控制电路组成，其中主电路包括整流模块和逆变模块，控制电路发出驱动脉冲，控制主电路开关器件的开通和关断，以实现对逆变模块输出交流电频率的调节，实现电机调速，完成提升装置的调速控制。由于通用变频器主电路多采用两电平拓扑，受电力电子器件性能的影响，电压等级不高，不适用于大功率提升工况。随着电力电子技术的发展，交流调速技术获得迅速发展，促使高压大功率变换器朝着高性能化和实用化方向发展7。参考文献 8 设计了背靠背三电平交直流变频器调速系统，并提出相应控制策略，对提升装置电机进行控制，验证调速系统具有可靠、高效等性能。针对常用中压变换器拓扑，巴西学者对比了三种三电平电压源变换器的容错性能，结果表明，不同变换器对提升装置的寿命有一定的影响，提出的具有预测和热降解管理技术的主动有源中性点箝位电压源变换器适用于提升装置系统，且相比之下成本较低9。此外，一些学者还对变频调速控制策略展开了相应研究。参考文献 10 使用对脉冲触发方式控制主电路开关管的通断，以降低高次谐波和电压脉动；参考文献 11 针对提升装置用绕线转子同步电机转子位置检测进行研究，实现在无位置传感器的条件下，转子位置准确估计和可靠控制，满足矿场提升装置应用时的严苛要求。综上所述，国内外学者对提升装置控制系统、变频调速控制方法中的电路拓扑和调制方法均进行了比较深入的研究，也取得了一定的成果。与传统调速方法相比，提升装置控制精度、运行状态和电能节约方面均有改善。但变频调速控制方法需要在使用变频器的同时，增加制动能量回收模块，并外接制动电阻将电机制动时产生的能量转换为电阻的热能，由此造成了制动电能的浪费，也导致提升装置系统效率不高。现有研究着重于提升装置某一关键部件的优化，未从提升装置电气系统整体进行分析。本文首先分析提升装置运行特性，介绍提升装置电气系统，然后利用超级电容储能技术，对提升装置电气系统的节能进行设计与分析，最后对设计的系统进行了验证。1 提升装置运行特性由于提升装置电气系统是依据调速系统处理后的速度给定信号进行控制，实现运行速度调整，保障装置安全可靠运行。因此，需根据给定速度梯形图对提升装置运行速度进行控制，使系统满足安全性、高效率和高精度的控制要求。图 1 为典型的提升装置速度梯形图。提升装置在一个工作周期的完整运行速度由 6 段组成，分别是初加速阶段、主加速阶段、匀速阶段、减速阶段、等速阶段和制动阶段。2 提升装置电气系统为改善传统提升装置采用液压制动系统使得提升装置电气系统体积大、噪音大、效率低等缺点，采用基于超级电容的制动能量回收系统。图 2 为提升装置电气系统结构，系统由主控系统、变频调速系统、制动能量回馈系统和远程终端操作系统四部分组成。各部分的功能及作用如下。1)主控系统为满足提升装置的安全性和可靠性要求，主控图1 提升装置速度梯形图v1t1t2t3t4t5t6t0vmvv4图2 提升装置电气系统结构远程终端操作系统主控系统监控系统操作台触摸屏辅助PLC提升装置变频器主控PLC超级电容模组制动能量转换模块超级电容管理模块变频调速系统制动能量回馈系统电机电机编码器矿场提升装置电气系统节能设计40电工电气电工电气 (2023 No.3)系统采用两套互为备用的可编程序控制器(PLC)，分别命名为主控 PLC 和辅助 PLC。在正常工况下，两台 PLC 均处于工作状态，区别在于：主控 PLC用来处理系统的输入、输出信号，满足控制系统各种控制功能的实现；辅助 PLC 作为监控设备，实时监控主控 PLC 的运行状态，并且对主控 PLC的数据进行备份。当主控 PLC 出现故障且无法正常运行时，辅助 PLC 立刻获得系统控制权限，此时辅助 PLC 的输入、输出端口开启，实现信号的接收和处理，使系统按照正常生产要求运行，避免故障发生。2)变频调速系统提升装置拖动系统需要满足宽调速范围和大起动转矩基本要求。变频调速系统以变频器为核心，使得控制电机具有调速范围广、调速精度高、节能效果明显等优势，是未来提升装置电气系统的发展方向。按频率变换方法，变频器可分为交-交变频器和交-直-交变频器两类。其中，交-直-交变频器控制电机具有输出能力好、频率可调范围大、动态响应好等优势2。采用具有能量回馈型的交-直-交变频调速变频器，调速模式灵活，如恒压频比(V/f)控制、矢量控制、直接转矩控制等；控制对象选取灵活，可以是绕线式异步电动机或鼠笼式异步电动机。3)制动能量回馈系统图 2 所示提升装置电气系统无液压制动环节，提升装置由电机直接驱动。因此，制动能量指的是电机制动时产生的电能。制动能量回馈系统由制动能量转换模块、超级电容模组和超级电容管理模块组成。储能装置为超级电容模组，实现电气制动能量的回收与回馈。具体实现方式为：在提升装置制动时，电机运行在发电机状态，大部分机械能转换为电能，此时通过制动能量回馈系统，将产生的电能储存在超级电容模组中。在供电异常或母线电能不足的情况下，超级电容模组将储存的制动产生电能释放，为电机正常运转提供电能，使制动电能被再利用，实现了制动能量回收并再利用的目的。4)远程终端操作系统远程终端操作系统主要有监控系统、操作台和触摸屏，负责远程监测与控制现场设备的运行情况。其中，触摸屏作为重要的人机交互设备，主要有画面显示、仪表显示、指示灯显示和通信等功能。远程终端操作系统集监控与操作于一体，通过对监控数据的检测和记录，及时发现故障并发出报警信号，必要时可远程控制系统停止工作，确保生产安全。3 电气系统节能设计3.1 制动能量回收与回馈过程在正常运行时，提升装置由电机拖动，将电能转换为机械能。当提升装置处于减速或制动状态时，提升装置制动能量回收过程如图 3 所示。由 PLC 发出制动命令给变频器，通过变频器的控制改变电机电磁转矩的方向，提供制动转矩，电机处于制动状态，实现制动机械能转换为电能。然后经过制动能量转换模块将制动能量储存在超级电容模组中，实现制动能量的回收。图 4 为提升装置制动能量回馈过程。提升装置处于运行状态时，若变频器直流母线电压过低，超级电容管理模块检测到该信号，并对超级电容模组发出控制信号。此时，超级电容模组释放电机制动时储存的制动能量，经制动能量转换模块将该部分能量转换为回馈能量，提供给直流母线，确保电机正常运行。3.2 制动能量回收与回馈系统设计基于制动能量回收的提升装置电气系统如图 5所示。该系统的设计包括双向 DC-DC 变换器、超级电容模组和超级电容管理模块。图3 提升装置制动能量回收过程PLC发出制动命令超级电容模组电机制动变频器发出制动信号制动能量转换模块制动能量矿场提升装置电气系统节能设计图4 提升装置制动能量回馈过程PLC发出运行命令超级电容模组超级电容管理模块直流母线电压过低发出控制信号电机运行变频器发出运行信号制动能量转换模块回馈能量41 电工电气电工电气 (2023 No.3)采用基于移相全桥双向 DC-DC 变换器拓扑如图 6 所示。其中，VH和VL为别为高压侧和低压侧直流母线电压。变压器 T 的原边为全桥移相电路，副边为同步整流电路。原边电路由输入电容Cin、4个 MOS 管 Q1 Q4(具有反并联二极管 D1 D4和结电容C1C4)、谐振电感Lr和变压器 T 组成；副边电路由 2 个 MOS 管 Q5 Q6、输出滤波电感Lout和输出电容Cout组成。当移相全桥双向 DC-DC 变换器工作在正向模式时，对高压侧 MOS 管采用移相控制，即在每个桥臂的 MOS 管为互补导通，每个 MOS 管导通 180，使两个桥臂 MOS 管的驱动信号存在相位的偏移，通过控制相移的大小，可以实现对输出电压占空比的控制，以此达到控制输出电压的目的。低压侧 MOS 管采用同步整流驱动，MOS 管 Q5和 Q6同步交替开通或关断，与二极管整流方式相比，降低了期间的功率损耗，提高了变换器的效率。超级电容具有使用寿命长、能量损失小、功率密度高、可靠性高和维护简便等优点，在储能领域具有极高的研究与应用价值。根据提升装置的运行距离和制动时间，可计算出拖动电机的制动功率，进而可确定超级电容的相关参数。通常，单体超级电容的耐压值在 1 5 V 之间。由于超级电容模组由多个单体超级电容串联组成，因此，超级电容模组的充放电电压在某一固定范围内，与单体电容的数目有关。单体超级电容的存储能量Ei为：式中：Ci为单体超级电容的容量(F)，V为端电压(V)。根据双向 DC-DC 输出电压的范围，可计算超级电容模组的容量E为：式中：C为超级电容模组的容量(F)，V1和V2分别为超级电容初始电压和终止电压(V)。提升装置制动时电机产生的电能Q0为：Q0=Pt (3)式中：为电机运行效率，P为额定功率(W)，t为制动时的有效运行时间(s)。由式(2)、式(3)可得，所需超级电容模组的容量C为：受单体超级电容电压的限制，为满足负载使用需求，在实际使用中需要将大量的单体电容串联，以达到一定的电压等级。超级电容管理模块是制动能量回馈系统的控制核心部件，用来保证储能系统安全稳定运行。因此，需要具备各类检测功能。系统超级电容管理模块需要具备单体超级电容监控、直流母线监测及超级电容工作参数监测等功能，能够进行自动充电均衡管理，并采集环境温度信息，能做出故障诊断。对于超级电容模组，必须确保超级电容的充放电安全。因此，当回收制动能量时，超级电容的充电功率将限制制动电能的回收功率，避免出现过充的现象。当满足系统安全运行时，超级电容需要尽可能多地回收制动能量，从而达到节约电能，提高系统经济性的目的。3.3 变频调速系统拖动系统是提升装置的动力来源，是提升装置电气系统中的重要环节。提升装置拖动系统需要满足宽调速范围和大起动转矩两项基本要求。图 7 为提升装置变频调速系统。主电路由整流模块、制动回路和逆变模块组成，控制部分具备检测、处理和图5 基于制动能量回收的提升装置电气系统电网整流器逆变器电机直流母线双向DC-DC变换器超级电容模组超级电容管理模块图6 移相全桥双向DC-DC变换器拓扑图D1Q1C1D5D6Q5Q6C5C6D3Q3C3D2Q2C2D4Q4C4VHVLCinCoutLrLoutT*(1)Ei=CiV212(2)E=C(V12-V22)12(4)C=2Q0V12-V22矿场提升装置电气系统节能设计42电工电气电工电气 (2023 No.3)显示等功能。常用变频器的控制方式有恒压频比(V/f)控制、矢量控制以及直接转矩控制。由于矢量控制可实现电机低频情况或正常工作频率时，运行均能获得较大转矩，满足提升装置拖动电机的转矩输出。因此，系统选用变频器矢量控制。4 设计验证系统提升装置电控系统的控制对象为变频电机，具体参数如表 1 所示。提升装置控制系统结构如图 8 所示。为使提升装置电气系统达到稳定和实用的目的，系统以计算机和触摸屏为载体，用于实现人机交换，置于远程终端操作室。提升装置系统需要采集大量数字量信号，如电机起停、相关功能指示灯的状态等，通过控制继电器触点闭合与断开，实现低压电器的远程控制。速度传感器和位移传感器作为现场传感器，分别测量提升装置运行速度和位置等信号。PLC 负责现场数据的处理，是系统的核心。数据经 PLC 处理后，将相关参数传输到上位机中进行显示。此外，通过交换机与触摸屏、计算机的实时通信实现数据交换。图9为提升装置速度曲线。在实际运行过程中，提升装置能够稳定、可靠地进行速度调节，并未出现过大超调等现象。单体超级电容充电电流波形如图 10 所示。可知，在 0.5 s 时为超级电容充电，超级电容两端的电流增加，充电电流可维持在稳定值。5 结语在矿场提升装置电气系统节能设计中，采用基于变频调速控制方法协同超级电容储能技术，以PLC 控制为核心，对提升装置电气控制系统进行改进和完善，提高了控制精度，有效改善了系统调速表1 提升装置变频电机主要参数参数数值或方式额定功率PN/kW132额定电压UN/V380额定电流IN/A240额定转速nN/(rmin-1)500极数6控制方式变频控制图8 基于PLC的提升装置系统结构图监控系统 触摸屏主控PLC 辅助PLC输入信号输出信号变频器提升装置按钮转换开关传感器其他输入信号指示灯继电器接触器其他输出信号PLC系统制动能量回馈系统制动/回馈电能图10 单体超级电容充电电流t/s8i/A01.52460.51.0图7 提升装置变频调速系统RST整流模块主电路制动回路逆变模块电机驱动、保护电路电压电流检测母线故障检测操作键盘显示屏控制电路CPU图9 提升装置速度曲线t/s4v/(m s-1)021361239121518实际值给定值矿场提升装置电气系统节能设计(下转第46页)46电工电气电工电气 (2023 No.3)流夹夹紧力和测试角度的影响，按照产品标准 GB/T39562008 规定的修约方式修约后得到数值一致时为每千米 0.017 3，测试结果更加稳定和集中。对比分股测量的结果，两种方法得到的结果十分接近，也证明压管法在测量分割导体直流电阻时的有效性。压管法解决了股块间和单线间接触电阻对电阻测试的影响问题，也避免了 V 型测试夹头与试样不能完全接触所带来的影响。压管法用到的铜管，不同电缆制造厂家可以根据自身工艺进行定制，可适用于任何规格导体。并且，部分规格的铜管可以在市场上直接购买，大大降低了试验费用。例行试验时，甚至可用其他金属材质的管子代替，进一步降低试验成本。4 结语在未对分割导体进行处理的情况下，V 型夹具和四端法在测量电缆分割导体时很难保证测试电流均匀地分布在每一单线中，导致了测试结果的不真实。技术工作者们一直致力于对试样处理的改进，也取得了一定收获。压管法利用液压装置产生的巨大压力以及内径与分割导体外径相当的圆形铜管对分割导体的紧压和定型，充分保证了导体股块间和单线间的紧密接触，极大地降低了接触电阻的影响。连续的圆形铜管也解决了 V 型夹具与试样接触不完全的问题，测试数据更加稳定可靠。压管法从经济性和有效性方面均取得了长足进步，有利于电缆制造企业、检测机构对分割导体直流电阻的控制和检测水平的提升。参考文献1 金金元，陈朝晖，陈建平.大截面分割导体直流电阻测试误差分析与改进 J.电线电缆，2016(2)：26-28.2 黄万里，欧阳湘璋.大截面分割导体直流电阻四端夹具测试误差分析与改进 J.中国检验检测，2019，27(1)：27-29.3 全国电线电缆标准化委员会.电线电缆电性能试验方法 第 4 部分：导体直流电阻试验：GB/T 3048.42007S.北京：中国标准出版社，2007：2-4.4 全国电线电缆标准化委员会.电缆的导体：GB/T 39562008S.北京：中国标准出版社，2008：4.收稿日期：2022-11-21基于压管法的电缆分割导体直流电阻测试方法性能；利用超级电容储能技术将电机制动产生电能进行合理地储存和利用，有效减少了电能的损耗，提高了提升装置的效率和可靠性。参考文献1 张云明，高燕清.现代矿山电气传动系统及节能技术发展现状 J.中国金属通报，2021(3)：3-4.2 许晓林.煤矿机电设备中变频节能技术的应用 J.科技创新与应用，2020(34)：171-172.3 王建龙.矿井提升机电气节能控制系统的设计与应用 J.机械管理开发，2020，35(12)：225-226.4 申鑫.煤矿提升机电气系统的改进 J.机械管理开发，2019，34(4)：173-174.5 温瑞阳.煤矿副井提升机变频调速控制装置的研究J.机械管理开发，2020，35(1)：196-197.6 孙华.变频调速技术在矿井井下运输中的应用 J.能源与节能，2019(1)：159-160.7 王斌.矿井提升机变频调速控制系统设计 D.西安：西安科技大学，2018.8 侯少晨.顺和矿副井提升机交直交变频驱动关键技术研究 D.徐州：中国矿业大学，2019.9 FERREIRA V N,MENDONCA G A,ROCHA A V,et al.Medium voltage IGBT-based converters in mine hoist systemsC/2016 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting，2016.10 SIOSTRZONEK T,CHMIELOWIEC K,PIATEK K,et al.The use of multi-pulse systems in the power supply of hoisting machine drives to improve voltage parameters in mining plantsC/2020 12th International Conference and Exhibition on Electrical Power Quality and Utilization(EPQU)，2020.11 UZEL D,PEROUTKA Z,SMIDL V,et al.Self-Sensing 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