關(guān)于大功率交流變頻器在煤礦中的應(yīng)用
文章主要介紹了礦用500KW/660V大功率絞車(chē)變頻調(diào)速系統(tǒng),為降低諧波影響,同時(shí)又符合防爆安全要求,采用2組315KW/660V整流裝置并聯(lián)運(yùn)行,以達(dá)到12脈沖的效果。同時(shí)簡(jiǎn)述了采用普通礦用隔爆型交流異步機(jī)在變頻調(diào)速時(shí),其結(jié)構(gòu)配置上要注意的幾個(gè)問(wèn)題。
1.概述
隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,煤炭生產(chǎn)自動(dòng)化和信息化程度也不斷提高,高科技產(chǎn)品在煤礦井下得到了廣泛的應(yīng)用。特別是“十一五”計(jì)劃內(nèi),國(guó)家重點(diǎn)扶植13個(gè)億噸礦區(qū),500對(duì)1000萬(wàn)噸的生產(chǎn)礦井,對(duì)大功率礦用變頻器及信息交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)有很可觀的需求。另外,煤礦井下由于歷史欠賬及行業(yè)條塊的原因,其自動(dòng)化,信息化程度較其他行業(yè)低,給從事該行業(yè)研究的企業(yè)帶來(lái)生機(jī)。
據(jù)國(guó)家情報(bào)網(wǎng)站檢索,我國(guó)的變頻器市場(chǎng)目前正處于一個(gè)高速增長(zhǎng)的時(shí)期。2002年我國(guó)消耗電力16200億度,其中有60%¬—70%的電能,約1萬(wàn)億度被各種類(lèi)型電動(dòng)機(jī)所消耗。到2002年底,我國(guó)的各類(lèi)電動(dòng)機(jī)的總?cè)萘渴?億千瓦,1億臺(tái)左右,85%是異步電機(jī)、其中只有不到2000萬(wàn)千瓦的電動(dòng)機(jī)是帶變頻器控制的。而帶變動(dòng)負(fù)載,具有技節(jié)能潛力的電機(jī)在我國(guó)至少有1.5億千瓦。在過(guò)去的幾年內(nèi),我國(guó)變頻器市場(chǎng)保持著12%—15%的增長(zhǎng)率,這個(gè)速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了近幾年的GDP增長(zhǎng)水平,而且預(yù)計(jì)至少在未來(lái)的5年內(nèi),行業(yè)內(nèi)還將保持著10%以上的增長(zhǎng)率。考慮到大約6%—8%的價(jià)格下降因素,我國(guó)市場(chǎng)上變頻器安裝容量(功率)的增長(zhǎng)實(shí)際應(yīng)在20%左右。按照這樣的發(fā)展速度和我國(guó)市場(chǎng)的需求計(jì)算,至少在10年以后市場(chǎng)才能飽和并逐漸成熟。因此,我國(guó)變頻器制造企業(yè)具有很好的發(fā)展空間。特別在國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)市場(chǎng),國(guó)家煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)察局發(fā)布的2005年版《煤礦安全規(guī)程》第373條第9款明確規(guī)定:“帶式輸送機(jī)應(yīng)加設(shè)軟制動(dòng)裝置”,《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》第39條第2款規(guī)定要逐步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,發(fā)展電機(jī)調(diào)速節(jié)電和電力電子節(jié)電技術(shù),開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、推廣質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉的節(jié)能器材,提高電能利用效率;發(fā)展和推廣其他在節(jié)能工作中證明技術(shù)成熟、效益顯著的通用節(jié)能技術(shù)。此條規(guī)定為全數(shù)字式高、低壓軟起動(dòng)器和變頻器在煤炭行業(yè)廣泛應(yīng)用提供了法律法規(guī)依據(jù)。
目前防爆400KW以上的電機(jī)需求量日益增多,解決礦用大功率防爆電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題已迫在眉睫。由于防爆變頻器是集自動(dòng)控制、微電子、通信及防爆技術(shù)、散熱技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品,其調(diào)速性能與節(jié)能技術(shù)在煤礦井下設(shè)備上得到了充分的發(fā)揮,所以用戶青睞變頻器,旨在:①解決高精度的轉(zhuǎn)矩控制;②節(jié)能增效;③延長(zhǎng)設(shè)備壽命;④凈化環(huán)境,安全生產(chǎn)。
本方案僅對(duì)煤礦井下大功率絞車(chē)采用變頻調(diào)速的技術(shù)作一簡(jiǎn)單說(shuō)明。
2.設(shè)計(jì)依據(jù)
GB191—2000包裝儲(chǔ)運(yùn)圖示標(biāo)志
GB/T311.7—2003高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合使用導(dǎo)則
GB/T2423.4—1993 電工電子產(chǎn)品環(huán)境實(shí)驗(yàn)規(guī)程 試驗(yàn)Db:交變濕熱試驗(yàn)方法
GB2681—1995電工成套裝置中的導(dǎo)線顏色
GB2682—1995電工成套裝置中的指示燈按鈕的顏色
GB3836.1—2000 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第1部分:通用要求
GB3836.2—2000 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第2部分:隔爆型“d”
GB3836.3—2000 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第3部分:增安型“e”
GB3836.4—2000 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第4部分:本質(zhì)安全型“i”
GB/T3859.2—1993 半導(dǎo)體變流器 應(yīng)用導(dǎo)則
GB/T12325—2003 電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差
GB/T12326—2000 電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變
GB/T12668.2—2000 調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 第2部分:一般要求 低壓交流變頻電氣傳動(dòng)系統(tǒng)額定植的規(guī)定
GB12668.3—2003 調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 第3部分:產(chǎn)品的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)及其特定的試驗(yàn)方法
GB/T13384—1992 機(jī)電產(chǎn)品包裝通用技術(shù)條件
GB/T14048.1—2000 低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 總則
GB/T14549—1993 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波
GB/T15543—1995 電能質(zhì)量 三項(xiàng)電壓允許不平衡度
GB/T15945—1995 電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差
GB17625.1—2003 電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每項(xiàng)輸入電流≤16A)
GB/Z17625.3—2000 電磁兼容 限值 對(duì)額度電流大于16A的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和閃爍的限制
3.西門(mén)子12脈沖變頻器在國(guó)投新集劉莊礦提升絞車(chē)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。
3.1提升機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
1)卷筒直徑 2500mm
2)卷筒寬度 3000mm
3)卷筒數(shù)量 1個(gè)
4)鋼絲繩最大靜張力 110KN
5)鋼絲繩最大靜張力差 110KN
6)鋼絲繩直徑 35mm
7)繩間隙 3mm
8)提升速度 4m/s
9)加速度 0.5m/s2
10)繩繞層數(shù) 2層
11)天輪直徑 1600mm
12)天輪游動(dòng)距離 1350mm
3.2電機(jī)部分主要技術(shù)參數(shù)
1)功率 450KW
2)轉(zhuǎn)速 1480r/min
3)電壓 AC660V
4)運(yùn)行方式 四象限
5)防護(hù)等級(jí) 主體IP54,接線盒IP54
6)工作制 連續(xù)工作制
7)環(huán)境溫度 0~40°
8)戶內(nèi)防中腐蝕型
4.系統(tǒng)組成
礦用大功率提升絞車(chē)電控系統(tǒng)由供電、驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)及電機(jī)五部分組成。本文重點(diǎn)介紹大功率變頻器中整流回饋技術(shù)及變頻調(diào)速系統(tǒng)采用普通礦用防爆電機(jī)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題。
4.1供電部分
由1臺(tái)三繞組變壓器和2臺(tái)自耦變壓器組成。
從結(jié)構(gòu)上看,目前煤礦中使用的變頻器有交—直—交和交—交變頻器二種。不管是哪種變頻器,其調(diào)速原理都是從電機(jī)特性出發(fā)的。眾所周知,交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)式為:
其中:f ——定子供電電源的頻率
p ——電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)
s ——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率
由上式可知,當(dāng)平滑地改變f時(shí),n也可得到平穩(wěn)的改變。所以,變頻調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵是如何獲得頻率可變的大功率供電電源。
為獲得大功率可變的供電電源,本系統(tǒng)采用一臺(tái)三繞組整流變壓器,其短路阻抗為6%;三繞組整流變壓器的二個(gè)次級(jí)繞組之間有30°電角相移,進(jìn)線側(cè)形成12脈沖配置。變壓器的2個(gè)次級(jí)繞組分別向變頻器二臺(tái)整流回饋單元供電(詳見(jiàn)圖1所示)

在變頻器輸入前分別加1臺(tái)自耦變壓器,其作用有二個(gè):一是抑制電流跳變,確保回饋;二是增加一層隔離,以防外來(lái)信號(hào)干擾本機(jī)工作,又不將本機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)干擾其他設(shè)備工作。
4.2驅(qū)動(dòng)部分
驅(qū)動(dòng)部分選用我公司生產(chǎn)的KDBR1-550/660BP礦用隔爆型交流變頻軟起動(dòng)控制器,內(nèi)裝西門(mén)子690V、500KW變頻器。
其整流回饋單元由2臺(tái)西門(mén)子690V、315KW的整流回饋單元并聯(lián)運(yùn)運(yùn)行,達(dá)到630KW的供電電源。
二臺(tái)整流回饋單元通過(guò)適配器和通訊線連接,達(dá)到12脈動(dòng)主從高速通訊控制;二臺(tái)整流回饋單元之間通過(guò)profibus總線通訊交換數(shù)據(jù);從整流回饋單元的所有控制均由主整流回饋單元完成,以確保2臺(tái)整流回饋單元完全同步地向逆變器供電和回饋,其整流額定電流為756A,而500KW逆變器的額定電流為678A。
這樣做,一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是能改善電網(wǎng)質(zhì)量大幅度地減小諧波對(duì)電網(wǎng)的影響;同時(shí)能控制無(wú)功電流的消耗。
由于本方案采用了整流變壓器,因此變頻器的輸入端取消了輸入電抗器。
上述配置后使變頻器的調(diào)速性能得到了充分發(fā)揮。
4.3電動(dòng)機(jī)
本方案采用普通籠型交流防爆異步電機(jī),由于變頻器是采用電壓型正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)方式,因此當(dāng)變頻器輸出不配正弦波濾波器時(shí),電機(jī)極易發(fā)熱,為了避免這一情況的發(fā)生,要求電機(jī)做到下列幾點(diǎn):
1)電機(jī)絕緣等級(jí)為H級(jí);
2)軸承選用瑞士進(jìn)口的SKF軸承;
3)帶強(qiáng)制風(fēng)冷,防護(hù)等級(jí):IP54;
4)電機(jī)每相增加PT100測(cè)溫電阻;
5)轉(zhuǎn)子最好用一次鑄成型的轉(zhuǎn)子;
6)電機(jī)軸上留有安裝軸編碼器的位置,另建議電機(jī)選型時(shí)必須有足夠的容量,增容對(duì)電機(jī)降溫也有作用。
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