顧橋礦主井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究

殳祺　葉迎亮

摘 要:礦井提升機是煤礦的大型固定設(shè)備之一,擔(dān)負(fù)著矸石、材料、機電設(shè)備和人員的提升,針對以往調(diào)速方式的不足,本文采用交-交變頻電控調(diào)速技術(shù)來改善提升機的工作效率,交-交變頻(Sinamics SL150)器具有輸出電壓的頻率、幅值、相位及功率因素穩(wěn)定,諧波較小等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于煤礦行業(yè)。顧橋礦實測結(jié)果表明,交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定,提高了提升機的工作效率,對煤礦安全生產(chǎn)具有重大意義。

關(guān)鍵詞:礦井提升機 串阻調(diào)速 交-交變頻電控調(diào)速 電控調(diào)速 交-交變頻器

中圖分類號:TP2 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)10(c)-0106-02

隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展,對礦產(chǎn)資源需求量的不斷加大,礦產(chǎn)資源開采一直是我國煤礦行業(yè)的頭等大事。礦井提升機系統(tǒng)在整個煤礦開采過程中擔(dān)負(fù)著舉足輕重的作用。提升機系統(tǒng)傳統(tǒng)的調(diào)速方法不足,輸出電壓和功率較低,系統(tǒng)穩(wěn)定性差,嚴(yán)重制約著煤礦資源的開采量,不利于整個行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。隨著交-交變頻調(diào)速技術(shù)在提升機系統(tǒng)中的應(yīng)用,憑借著高電壓、大功率變頻輸出,電機驅(qū)動能力強、運轉(zhuǎn)快,系統(tǒng)性能穩(wěn)定等優(yōu)勢得到了煤礦行業(yè)的廣泛關(guān)注。

1 AC-AC變頻調(diào)速技術(shù)

1.1 變頻器

1.1.1變頻器的工作原理

變頻器是把固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓頻率的交流電的變換器,是異步電機變頻調(diào)速的控制裝置。交-交變頻器沒有直流變換環(huán)節(jié),只有兩個交流環(huán)節(jié)之間的轉(zhuǎn)換過程。通過把一種頻率的交流電轉(zhuǎn)換成另一種頻率的交流電。

1.1.2 交-交變頻器

交-交變頻器主要由3臺電網(wǎng)自然換流、無環(huán)流可逆變流器組成,對應(yīng)同步電機定子的三相,每相連接成三相橋式電路。三相變流器由整流變壓器供電,兩套變頻器由分別為Δ/X、Δ/Y接法的整流變壓器供電,以減少供電高次諧波。AC-AC變頻器具有高效率、大電流等優(yōu)點非常適用于低速、大功率、大轉(zhuǎn)矩、高動態(tài)響應(yīng)、高過載能力的環(huán)境。AC-AC變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電機的定子繞組每相對應(yīng)一套反并聯(lián)可控硅橋,最大輸出頻率約為電網(wǎng)側(cè)頻率的45%左右,采用無熔絲設(shè)計方法,效率高達99.3%,在緊急情況下12脈沖可以切換成6脈沖AC-AC變頻器,使的整個變頻系統(tǒng)變得靈活、穩(wěn)定。

1.2 AC-AC變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理

1.2.1 變頻調(diào)速的理論概述

變頻器的功用是將頻率固定的(通常為50 Hz的)交流電變成頻率聯(lián)系可調(diào)的三相交流電。由公式:,當(dāng)頻率連續(xù)可調(diào)時(一般為定數(shù)),電動機的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào),又因為異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是比同步轉(zhuǎn)速略低一些,所以,當(dāng)同步轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)時,異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也是連續(xù)可調(diào)的。變頻器通過改變電動機工作電源的輸入頻率(電流的頻率)來改變電動機轉(zhuǎn)速,從而實現(xiàn)變頻調(diào)速。

1.2.2 AC-AC變頻調(diào)速的原理概述

三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為,調(diào)速方式可有四種方式。交-交變頻電路的基本原理圖如圖2所示。

2 主井提升機交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 交-交變頻器Sinzmics SL150控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

Sinzmics SL150控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括:CPU模塊、控制器模塊、I/O模塊、斷路保護模塊、輔助設(shè)備模塊以及控制面板。系統(tǒng)CPU(D445)利用軟件可編程方式可以同時在線對通信系統(tǒng)、故障分析系統(tǒng)、畫面顯示系統(tǒng)進行操作。其中變頻控制器負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)電路的相電流、電機轉(zhuǎn)速以及熱電壓轉(zhuǎn)換器(TVC)。交-交變頻器控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

通過系統(tǒng)外擴的I/O模塊,可對電機的轉(zhuǎn)子運行情況進行信號采集檢測,同步電壓信號以及數(shù)字變化量都是由該模塊負(fù)責(zé)接收傳送和結(jié)果輸出控制。如果電路中的工作電壓超過額定電壓值,該系統(tǒng)采用高壓斷路器負(fù)責(zé)控制和保護系統(tǒng)輸出電壓。系統(tǒng)的輔助設(shè)備是由12/6脈沖轉(zhuǎn)換部分和功率因素補償兩部分組成。功率因素補償部分,對于電機功率達不到額定工作功率的時候,可以采取無功補償?shù)姆绞綔p少諧波和無功功率的損耗。對12/6脈沖轉(zhuǎn)換部分,一旦高壓短路,變壓器或變頻器一路發(fā)生故障時,電機和變頻器可以由12脈沖工作模式轉(zhuǎn)換成6脈沖的緊急模式。對有故障的變頻器進行斷電分離,并聯(lián)的兩套電機繞組切換成串聯(lián)連接,提升機處于全載半速運行狀態(tài)。

2.2 6脈沖交-交變頻控制方法

針對顧橋礦主井提升機的具體情況,采用ABB公司的ACS6000C進口全數(shù)字矢量控制系統(tǒng),交-交變頻選用6脈沖,邏輯無環(huán)流可逆變流器,變頻器分別由3臺整流變壓器供電。系統(tǒng)電源選用10 kV、50 Hz三相交流電作為主電源供電。主回路采用電樞換向的直流電動機拖動,電樞回路是由兩個反向并聯(lián)晶閘管整流器直流供電,將10 kV的交流電壓通過4路變壓器轉(zhuǎn)換成滿足系統(tǒng)需要的直流電壓,通過高壓斷路器控制系統(tǒng)電壓,為同步電動機提供合適的工作電流和電壓。顧橋礦主井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)運行結(jié)果分析

結(jié)合交-交變頻調(diào)速在顧橋礦主井提升機電機傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用,通過西門子SIMATIC WinCC5.0制作軟件可以監(jiān)控整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。從主提升機畫面中可以清楚地看到系統(tǒng)各個工作模塊的運行狀態(tài),安全回路狀態(tài)、停車回路狀態(tài)、閉鎖回路狀態(tài)、PLC主副箕斗位置、油壓、提升速度、定子的電流電壓、勵磁電流、井筒開關(guān)的選擇以及裝卸載打點信號（見圖4）。

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)煤礦主井提升機系統(tǒng)的不足,提出了主井提升機交-交變頻調(diào)速電控系統(tǒng)的新方法,結(jié)合顧橋礦主井提升機變頻系統(tǒng)的實際應(yīng)用等方面詳細(xì)地論述了新方法的優(yōu)越性。實測結(jié)果表明交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)性能穩(wěn)定,大大增加了提升機的工作量,對礦產(chǎn)資源的開采做出了重要貢獻。

參考文獻

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