高壓變頻器在煤礦主井提升系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

　　大灣煤礦1990年開(kāi)工建設(shè)，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力90萬(wàn)t。1997年試生產(chǎn)。主提升機(jī)［jkm-2.8x4⑴c-dw］采用多繩摩擦式箕斗立井提升，每次提升9t，電控系統(tǒng)［jkmk/j-a-11ⅱⅰ］兩級(jí)預(yù)備、八級(jí)加速，低頻制動(dòng)，垂直提升高度254m，在最后21m，由低頻拖動(dòng)進(jìn)入罐道卸載。最高年提升量125.65萬(wàn)t，至2006年累計(jì)提升原煤614.7萬(wàn)t。

2 改造原因

　　我礦經(jīng)過(guò)7年的使用挖潛，提升能力逐年提高，現(xiàn)有的提升能力已逐漸不能滿足生產(chǎn)要求，原因有電氣元件老化，故障發(fā)生頻繁，并且因?yàn)樗璨糠峙浼袌?chǎng)不再供應(yīng)，因此維修成本大大增加；監(jiān)控器傳動(dòng)齒輪磨損誤差增大;整個(gè)提升循環(huán)時(shí)間不受控，不能閉環(huán)運(yùn)行;爬行段易產(chǎn)生環(huán)流，從而導(dǎo)致一個(gè)提升循環(huán)崩潰。據(jù)此，我礦經(jīng)過(guò)研究認(rèn)為，現(xiàn)有設(shè)備不僅已無(wú)潛可挖，并且故障頻發(fā)對(duì)安全生產(chǎn)產(chǎn)生極大的隱患，必須對(duì)其進(jìn)行設(shè)備改造。

　　同時(shí)，節(jié)能降耗是國(guó)家的重要國(guó)策，國(guó)家制定了《節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃》，對(duì)此，國(guó)家發(fā)改委制定了“十一五”國(guó)家十大重點(diǎn)節(jié)能工程，其中就包括了電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程，對(duì)大中型變工況電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速改造，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)被拖動(dòng)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造。

　　為了降低電機(jī)能耗，適應(yīng)國(guó)家“十一五”規(guī)劃中提出的節(jié)能降耗目標(biāo)，響應(yīng)國(guó)家發(fā)改委對(duì)電機(jī)提出的節(jié)能實(shí)施意見(jiàn)，提高生產(chǎn)效率，使之能夠適應(yīng)西部大開(kāi)發(fā)的需要，所以，我礦決定對(duì)主井提升系統(tǒng)進(jìn)行變頻技術(shù)改造。

3 改造方案

　　3.1 設(shè)備選型

　　經(jīng)過(guò)考察，我礦的主井提升機(jī)改造變頻部分決定選擇榮信電力電子股份有限公司生產(chǎn)的電阻制動(dòng)型rhvc變頻調(diào)速裝置，其額定電壓為6kv，額定電流為85a，額定功率為800kw，其性能參數(shù)如表1所示。

　　3.2 變頻原理

　　根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：n=60f（1-s）/p，極對(duì)數(shù)p在電機(jī)制造完成以后是固定不變的常數(shù)，轉(zhuǎn)差率s可通過(guò)串入電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是此種方法有兩個(gè)弊端：一是需要消耗大量的電能，實(shí)現(xiàn)不了節(jié)能的目標(biāo)，二是串入電阻進(jìn)行調(diào)速不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，而電源的頻率f在現(xiàn)代技術(shù)下可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n要實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)電源的頻率f來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 變頻系統(tǒng)

　　榮信公司的rhvc無(wú)諧波高壓變頻器是采用目前國(guó)際上先進(jìn)的igbt功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、spwm脈寬調(diào)制技術(shù)及超導(dǎo)熱管散熱技術(shù)研制而成的系列高壓電機(jī)節(jié)能調(diào)速產(chǎn)品。6kv系列rhvc根據(jù)用戶需求采用4~6級(jí)功率單元串聯(lián)，其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入側(cè)是將高壓經(jīng)過(guò)高壓開(kāi)關(guān)柜加到移相變壓器的原邊，再根據(jù)電壓等級(jí)和變頻功率單元的級(jí)數(shù)由干式變頻用移相變壓器的副邊分為多組，通過(guò)移相之后，分別給每個(gè)變頻功率單元獨(dú)立供電。輸出側(cè)由每個(gè)變頻功率單元的兩個(gè)輸出端子進(jìn)行相互串聯(lián)形成u、v、w三相，再接成y型，給高壓電機(jī)直接供電。通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)igbt的通斷順序進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整電源相序的功能，不需要換向接觸器即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向運(yùn)行。

　　提升用rhvc主要由高壓開(kāi)關(guān)柜、變壓器、控制部分、變頻部分、制動(dòng)電阻（再生制動(dòng)型不用）五部分組成，并且可以根據(jù)用戶需要提供其他設(shè)備。

4.1 功率單元

　　變頻部分采用目前通用的功率單元串聯(lián)h橋型多電平方式，變頻功率單元采用模塊化設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)和電氣性能上完全一致，可以通用互換。其基本拓?fù)錇榻?直-交三相整流/單相逆變電路。主要包括主控制板（包括控制電路、故障檢測(cè)電路、通訊電路）、igbt驅(qū)動(dòng)板、顯示板、放電板等電路。整流側(cè)為二極管三相全波整流，經(jīng)過(guò)電容器把脈動(dòng)的直流濾成穩(wěn)定的直流電源。通過(guò)對(duì)igbt逆變橋進(jìn)行正弦pwm調(diào)制控制，可得到正弦的單相交流輸出。制動(dòng)igbt負(fù)責(zé)把直流側(cè)過(guò)高的能量通過(guò)制動(dòng)電阻釋放掉。過(guò)壓抑制器是為了防止電壓的瞬間變化損壞功率器件。起到能量吸收的作用，以達(dá)到保護(hù)逆變電路的目的。igbt等功率器件的散熱采用先進(jìn)高效的熱管散熱技術(shù)，大大提高了功率器件的工作安全可靠性。另外，每個(gè)變頻功率單元都能顯示自己的中間直流電壓值、工作狀態(tài)和故障信息等（原理如圖2所示）。當(dāng)功率單元發(fā)生故障后將會(huì)立即自行保護(hù)并向控制柜發(fā)出信號(hào)請(qǐng)求停機(jī)。

　　4.2 控制系統(tǒng)

　　控制柜由高速單片機(jī)、工控pc機(jī)和plc共同構(gòu)成。單片機(jī)用于實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制、pwm波生成控制、快速保護(hù)及網(wǎng)絡(luò)控制等功能。工控pc提供友好的全中文windonws監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制，并且對(duì)變頻單元掉電時(shí)的故障狀態(tài)進(jìn)行鎖存。內(nèi)置plc則用于開(kāi)關(guān)量信號(hào)的邏輯處理，運(yùn)行和故障聯(lián)鎖，可以和用戶現(xiàn)場(chǎng)靈活接口，滿足用戶的特殊需要。控制柜與變頻功率單元之間采用光纖傳導(dǎo)技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能，可靠性大大提高。

5 應(yīng)用效果

　　我礦在主井提升系統(tǒng)使用了變頻系統(tǒng)以后，產(chǎn)生了良好的收益，主要包括了直接效益和間接效益兩個(gè)方面。

　　5.1 直接效益

　　（1）在原系統(tǒng)中，雖然在爬行階段使用了低頻拖動(dòng)系統(tǒng)，但是，電機(jī)使用轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻方式改變電機(jī)滑差率進(jìn)行調(diào)速以及電機(jī)功率因數(shù)低兩方面原因還是造成了電能的大量浪費(fèi)。使用高壓變頻系統(tǒng)以后，相比原低頻拖動(dòng)系統(tǒng)仍然降低了電能損耗，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2007年12月至2008年5月，共6個(gè)月的平均噸煤電耗為1.207kw.h，相比往年同期1.365kw.h降低了11.38%。

　　（2）原系統(tǒng)每個(gè)提升循環(huán)需要耗時(shí)120s，每小時(shí)可提升30個(gè)循環(huán)，使用變頻系統(tǒng)以后，每個(gè)提升循環(huán)可節(jié)約10s時(shí)間，每小時(shí)可比原系統(tǒng)多提升2.72個(gè)循環(huán)，箕斗的核定載重為9t，在產(chǎn)能充足的情況下，每天可以提高產(chǎn)能589t，每年可提高產(chǎn)能21.5萬(wàn)t，而且系統(tǒng)還有不小的可以提速的空間。

　　（3）原系統(tǒng)故障率在5%以上，判斷維修時(shí)間長(zhǎng)，使用新系統(tǒng)后，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，模塊化的備用單元可以立即投入使用，更換功率單元不超過(guò)15min，大大縮短了因?yàn)榫S修造成的停機(jī)時(shí)間，故障率降到1%以下。

　　5.2 間接效益

　　（1）高壓變頻調(diào)速裝置在工頻以下通過(guò)無(wú)級(jí)調(diào)速連續(xù)改變電源的頻率，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，大大減小了啟動(dòng)沖擊電流對(duì)電機(jī)本身、軸承以及減速器的沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，進(jìn)而降低的工人的勞動(dòng)強(qiáng)度

　　（2）高壓變頻調(diào)速裝置的無(wú)諧波特點(diǎn)使電機(jī)工作時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的污染大大降低，經(jīng)過(guò)測(cè)試，整個(gè)主井提升機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到了0.95以上，與原系統(tǒng)相比，提高了0.15以上，對(duì)改善電網(wǎng)環(huán)境起到了很好的作用。

　　（3）減少了設(shè)備的故障率，縮短了故障停機(jī)時(shí)間。使用高壓變頻系統(tǒng)代替原系統(tǒng)運(yùn)行，使原系統(tǒng)備件短缺的現(xiàn)象得以解決，新的設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)使維修更加方便，一旦出現(xiàn)模塊故障，20min內(nèi)即可更換完畢。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　大灣煤礦主井提升系統(tǒng)電控項(xiàng)目改造是一個(gè)綜合的配套工程，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是其中的主體工程，在該項(xiàng)目順利運(yùn)行之后，煤礦順利實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)節(jié)能的目標(biāo)，提高了企業(yè)效益，并創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益，深受集團(tuán)公司和我礦職工的歡迎。