高壓變頻器在煤礦主井提升系統中的應用

1 引言

　　大灣煤礦1990年開工建設，設計年生產能力90萬t。1997年試生產。主提升機［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［jkmk/j-a-11ⅱⅰ］兩級預備、八級加速，低頻制動，垂直提升高度254m，在最后21m，由低頻拖動進入罐道卸載。最高年提升量125.65萬t，至2006年累計提升原煤614.7萬t。

2 改造原因

　　我礦經過7年的使用挖潛，提升能力逐年提高，現有的提升能力已逐漸不能滿足生產要求，原因有電氣元件老化，故障發生頻繁，并且因為所需部分配件市場不再供應，因此維修成本大大增加；監控器傳動齒輪磨損誤差增大;整個提升循環時間不受控，不能閉環運行;爬行段易產生環流，從而導致一個提升循環崩潰。據此，我礦經過研究認為，現有設備不僅已無潛可挖，并且故障頻發對安全生產產生極大的隱患，必須對其進行設備改造。

　　同時，節能降耗是國家的重要國策，國家制定了《節能中長期專項規劃》，對此，國家發改委制定了“十一五”國家十大重點節能工程，其中就包括了電機系統節能工程，對大中型變工況電機系統進行調速改造，對電機系統被拖動設備進行節能改造。

　　為了降低電機能耗，適應國家“十一五”規劃中提出的節能降耗目標，響應國家發改委對電機提出的節能實施意見，提高生產效率，使之能夠適應西部大開發的需要，所以，我礦決定對主井提升系統進行變頻技術改造。

3 改造方案

　　3.1 設備選型

　　經過考察，我礦的主井提升機改造變頻部分決定選擇榮信電力電子股份有限公司生產的電阻制動型rhvc變頻調速裝置，其額定電壓為6kv，額定電流為85a，額定功率為800kw，其性能參數如表1所示。

　　3.2 變頻原理

　　根據異步電動機的轉速公式：n=60f（1-s）/p，極對數p在電機制造完成以后是固定不變的常數，轉差率s可通過串入電阻進行調節，但是此種方法有兩個弊端：一是需要消耗大量的電能，實現不了節能的目標，二是串入電阻進行調速不能實現無級調速，而電源的頻率f在現代技術下可以實現平穩無級調節，因此，電機的轉速n要實現無級調速，就可以通過調節電源的頻率f來實現。

4 變頻系統

　　榮信公司的rhvc無諧波高壓變頻器是采用目前國際上先進的igbt功率單元串聯多電平技術、數字控制技術、spwm脈寬調制技術及超導熱管散熱技術研制而成的系列高壓電機節能調速產品。6kv系列rhvc根據用戶需求采用4~6級功率單元串聯，其基本拓撲結構如圖1所示。輸入側是將高壓經過高壓開關柜加到移相變壓器的原邊，再根據電壓等級和變頻功率單元的級數由干式變頻用移相變壓器的副邊分為多組，通過移相之后，分別給每個變頻功率單元獨立供電。輸出側由每個變頻功率單元的兩個輸出端子進行相互串聯形成u、v、w三相，再接成y型，給高壓電機直接供電。通過控制系統對igbt的通斷順序進行控制，就可以實現調整電源相序的功能，不需要換向接觸器即可實現電機的雙向運行。

　　提升用rhvc主要由高壓開關柜、變壓器、控制部分、變頻部分、制動電阻（再生制動型不用）五部分組成，并且可以根據用戶需要提供其他設備。

4.1 功率單元

　　變頻部分采用目前通用的功率單元串聯h橋型多電平方式，變頻功率單元采用模塊化設計，在結構和電氣性能上完全一致，可以通用互換。其基本拓撲為交-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、故障檢測電路、通訊電路）、igbt驅動板、顯示板、放電板等電路。整流側為二極管三相全波整流，經過電容器把脈動的直流濾成穩定的直流電源。通過對igbt逆變橋進行正弦pwm調制控制，可得到正弦的單相交流輸出。制動igbt負責把直流側過高的能量通過制動電阻釋放掉。過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，以達到保護逆變電路的目的。igbt等功率器件的散熱采用先進高效的熱管散熱技術，大大提高了功率器件的工作安全可靠性。另外，每個變頻功率單元都能顯示自己的中間直流電壓值、工作狀態和故障信息等（原理如圖2所示）。當功率單元發生故障后將會立即自行保護并向控制柜發出信號請求停機。

　　4.2 控制系統

　　控制柜由高速單片機、工控pc機和plc共同構成。單片機用于實現開環或閉環控制、pwm波生成控制、快速保護及網絡控制等功能。工控pc提供友好的全中文windonws監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制，并且對變頻單元掉電時的故障狀態進行鎖存。內置plc則用于開關量信號的邏輯處理，運行和故障聯鎖，可以和用戶現場靈活接口，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技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，可靠性大大提高。

5 應用效果

　　我礦在主井提升系統使用了變頻系統以后，產生了良好的收益，主要包括了直接效益和間接效益兩個方面。

　　5.1 直接效益

　　（1）在原系統中，雖然在爬行階段使用了低頻拖動系統，但是，電機使用轉子串聯電阻方式改變電機滑差率進行調速以及電機功率因數低兩方面原因還是造成了電能的大量浪費。使用高壓變頻系統以后，相比原低頻拖動系統仍然降低了電能損耗，經統計，2007年12月至2008年5月，共6個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）原系統每個提升循環需要耗時120s，每小時可提升30個循環，使用變頻系統以后，每個提升循環可節約10s時間，每小時可比原系統多提升2.72個循環，箕斗的核定載重為9t，在產能充足的情況下，每天可以提高產能589t，每年可提高產能21.5萬t，而且系統還有不小的可以提速的空間。

　　（3）原系統故障率在5%以上，判斷維修時間長，使用新系統后，一旦出現問題，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15min，大大縮短了因為維修造成的停機時間，故障率降到1%以下。

　　5.2 間接效益

　　（1）高壓變頻調速裝置在工頻以下通過無級調速連續改變電源的頻率，實現了電機的軟啟動，大大減小了啟動沖擊電流對電機本身、軸承以及減速器的沖擊，延長了設備的使用壽命，進而降低的工人的勞動強度

　　（2）高壓變頻調速裝置的無諧波特點使電機工作時對電網產生的污染大大降低，經過測試，整個主井提升機系統的功率因數達到了0.95以上，與原系統相比，提高了0.15以上，對改善電網環境起到了很好的作用。

　　（3）減少了設備的故障率，縮短了故障停機時間。使用高壓變頻系統代替原系統運行，使原系統備件短缺的現象得以解決，新的設備模塊化設計使維修更加方便，一旦出現模塊故障，20min內即可更換完畢。

6 結束語

　　大灣煤礦主井提升系統電控項目改造是一個綜合的配套工程，高壓變頻調速系統是其中的主體工程，在該項目順利運行之后，煤礦順利實現了增產節能的目標，提高了企業效益，并創造了良好的社會效益，深受集團公司和我礦職工的歡迎。