匯川技術(shù)HD92系列四象限變頻器在礦井豎井絞車上的應(yīng)用

蘇州市匯川技術(shù)有限公司

匯川技術(shù)HD92系列四象限變頻器在礦井豎井絞車上的應(yīng)用

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2015年1月30日，匯川技術(shù)1臺HD92四象限高壓變頻器成功應(yīng)用于云南富源某煤礦礦井豎井提升機(jī)上。該產(chǎn)品有效地解決了使用交流繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制系統(tǒng)時，提升機(jī)減速和爬行階段的速度控制性能差、嚴(yán)重耗能、控制系統(tǒng)復(fù)雜等問題，為用戶提高生產(chǎn)效率的同時，實現(xiàn)了上提過程中的節(jié)能和下放過程中的能量回饋的雙重節(jié)能效果，從而有效利用能源。

豎井礦井提升機(jī)；HD92；三電平；四象限；能量回饋

1 改造前設(shè)備工況

礦井提升機(jī)，也稱絞車（如圖1所示），是指安裝在地面、借助于鋼絲繩帶動提升容器沿井筒運(yùn)行的一種大型提升機(jī)械設(shè)備，是井上和井下的唯一輸送通道。它是由電動機(jī)帶動機(jī)械設(shè)備，以帶動鋼絲繩從而帶動容器在井筒中升降，完成輸送任務(wù)。現(xiàn)代的礦井提升機(jī)提升量大、速度高、安全性高，已發(fā)展成為電子自動控制的全自動重型礦山機(jī)械。

圖1 提升機(jī)現(xiàn)場圖

礦井提升機(jī)主要由電動機(jī)、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成（如圖2所示），采用交流電機(jī)驅(qū)動。

圖2 舊提升機(jī)系統(tǒng)

目前大部分大中型煤礦的礦井提升機(jī)都采用繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行分段有級調(diào)速（如圖3所示）。其基本原理是：當(dāng)繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻后，電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，串入的電阻越大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，控制方便；但其缺點(diǎn)也非常明顯，主要有以下幾點(diǎn)：

· 調(diào)速時轉(zhuǎn)子回路電流很大，大量的轉(zhuǎn)差電能消耗在回路電阻上，造成大量能源浪費(fèi)；

· 調(diào)速性能差，控制系統(tǒng)復(fù)雜，故障率高；

· 啟動過程中對電網(wǎng)的沖擊大，同時也會產(chǎn)生較大的機(jī)械沖擊，造成設(shè)備使用壽命降低；

· 安全可靠性差，且維護(hù)工作量大、維護(hù)成本高。

圖3 改造前的調(diào)速電阻

此豎井提升機(jī)變頻改造項目中，之前采用轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式，在使用過程中存在諸多安全隱患和較差的系統(tǒng)運(yùn)行性能，為提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，在我司的建議下，客戶最終決定采購一整套變頻電控系統(tǒng)，將之前的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)徹底替換掉，采用匯川高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速，避免了嚴(yán)重的機(jī)械磨損，防止較大的機(jī)械沖擊，減少機(jī)械部分維修的工作量，延長提升機(jī)械的使用壽命。采用變頻控制的提升機(jī)，基本上可以獲得與直流電機(jī)相同的調(diào)速和制動性能。系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

根據(jù)電機(jī)額定功率，綜合考慮電動機(jī)功率因數(shù)偏低、使用現(xiàn)場2200m海拔等多方面因素，匯川選用型號為HD92-F060/500-RN的四象限高壓變頻器，經(jīng)實踐驗證，完全滿足現(xiàn)場使用要求，不僅實現(xiàn)平滑的加速、減速和平穩(wěn)的勻速運(yùn)行，還達(dá)到了很好的節(jié)能效果。

2 提升機(jī)工藝要求

提升機(jī)的運(yùn)行過程是提升容器在井筒中周期往返運(yùn)動，通常以提升容器的運(yùn)動速度與時間的關(guān)系來表示其運(yùn)動規(guī)律，稱為速度圖，我們常用的提升系統(tǒng)的速度圖，包括五個階段，一般稱為五階段速度圖。即：加速階段、勻速階段、減速階段、爬行階段、制動階段。提升機(jī)電氣傳動系統(tǒng)速度曲線如圖4所示。

圖4 提升機(jī)運(yùn)行速度曲線圖

要使提升機(jī)按給定的速度曲線運(yùn)行，電氣傳動系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)負(fù)載的變化而自動地工作在電動或制動狀態(tài)。綜合以上提升機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)以及礦山生產(chǎn)固有的特點(diǎn)，提升機(jī)工藝對提升機(jī)電控系統(tǒng)的要求如下：

（1）加（減）速度應(yīng)符合國家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。提升人員時，加速度a≤0.75m/s2，升降物料時，加速度a≤1.2m/ s2。另外不得超過提升機(jī)的減速器所允許的動力矩。

（2）具有良好的調(diào)速性能。要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿足各種運(yùn)行方式及提升階段（如加速、減速、等速、爬行等）穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

（3）有較好的起動性能。提升機(jī)不同于其他機(jī)械，不可能等到系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)后再加裝負(fù)載，因此，提升機(jī)必須能夠重載啟動，有較高的過載能力。

（4）特性曲線要硬。要保證負(fù)載變化時，提升速度基本上不受影響，防止負(fù)載大小不同時速降過大，影響系統(tǒng)正常工作(當(dāng)然，當(dāng)負(fù)載超過一定的限度時，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護(hù)。迅速安全制動停車，即所謂要具備挖土機(jī)機(jī)械特性)。

（5）工作方式轉(zhuǎn)換容易。要能夠方便地進(jìn)行自動、半自動、手動、驗繩、調(diào)繩等工作方式的轉(zhuǎn)換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。

3 變頻改造方案

改造內(nèi)容：原有轉(zhuǎn)子串電阻電控系統(tǒng)及換向切換全部拆除，重新采購一整套新的絞車電控系統(tǒng)，其中操作臺采用兩臺西門子可編程控制器，其中一臺為主控機(jī)，負(fù)責(zé)提升機(jī)的主程序，第二臺為監(jiān)控機(jī)，負(fù)責(zé)信號打點(diǎn)、語音報警和后備保護(hù)，兩臺PLC有主有從，互有分工，相互監(jiān)視，實現(xiàn)了安全回路的雙線制。使用變頻器驅(qū)動電機(jī)，變頻器型號為HD92-F060/500-RN，采用遠(yuǎn)程控制方式，由操作臺的PLC將控制指令傳送到變頻器，控制框圖如圖5所示。

圖5 提升機(jī)控制框圖

操作臺PLC與變頻器之間采用硬線連接方式，通過4～20mA模擬量信號調(diào)速，驅(qū)動電機(jī)在0～50Hz范圍內(nèi)運(yùn)行。具體接口信息如圖6所示。

變頻器采用兩線式控制模式，通過DI9、DI10兩個端口分別控制變頻器正、反轉(zhuǎn)，頻率給定采用4～20mA模擬量信號，對應(yīng)變頻器輸出頻率0～50Hz，變頻器開關(guān)量輸入：10路繼電器干接點(diǎn)，包括起動、停止、手動/自動轉(zhuǎn)換、復(fù)位等信號；開關(guān)量輸出：16路繼電器干接點(diǎn)，包括變頻器高壓就緒、變頻器運(yùn)行、變頻器故障、變頻器停止、變頻器保護(hù)動作等信號。

變頻器控制采用開環(huán)矢量控制技術(shù)，無需安裝編碼器作速度閉環(huán)控制，可根據(jù)電機(jī)運(yùn)行電壓及電流自行解耦出電機(jī)實時運(yùn)行狀態(tài)。

圖6 端口通信圖

4 匯川高壓變頻系統(tǒng)原理

國內(nèi)市場上絕大多數(shù)高壓變頻器均采用功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，其中，功率單元采用兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，6kV高壓變頻器，每相由5或6個功率單元組成，整機(jī)由15或18個功率單元組成，具有功率單元數(shù)量眾多，體積大的缺點(diǎn)。根據(jù)此種情況，匯川公司創(chuàng)新性地提出了三電平功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，使得每個功率單元具有更高的輸出電壓，6kV高壓變頻器整機(jī)只需要9個功率單元，從根本上減少了功率單元數(shù)量，減小了變頻器整機(jī)體積。6kV高壓變頻器整機(jī)拓?fù)鋱D如圖7所示。

圖7 6kV四象限高壓變頻器拓?fù)鋱D

功率單元采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，中心點(diǎn)采用二極管鉗位，整個功率單元由AFE整流、直流濾波、逆變輸出三大部分組成，功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 功率單元拓?fù)鋱D

采用AFE整流前端，與傳統(tǒng)的二極管或可控硅整流技術(shù)相比，主動前端不再是被動的將交流轉(zhuǎn)變成直流，而是具備了很多主動的控制功能。

（1）具備電網(wǎng)功率因數(shù)調(diào)節(jié)功能，整機(jī)空閑時可以通過AFE方式調(diào)整電網(wǎng)功率因數(shù)；

（2）對電網(wǎng)無污染，輸入功率因數(shù)高，無需功率因數(shù)補(bǔ)償器；

（3）電壓適應(yīng)范圍-20%～15%；

（4）能量回饋效率高。

單元輸入端采用PFC能量回饋電抗器：

（1）減少回饋時整流前端電壓尖峰dv/dt對電網(wǎng)的污染；

（2）利用電抗器中儲存的部分能量，可用于提升母線電壓，使母線電壓可控、穩(wěn)定；

（3）抑制單元輸入側(cè)諧波電流，改善功率因數(shù)。

當(dāng)變頻器輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩方向一致時，電機(jī)處于電動機(jī)狀態(tài)，此時功率單元AFE側(cè)從電網(wǎng)獲取有功功率，提供給電機(jī)，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；當(dāng)變頻器輸出轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩方向不一致時，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時，產(chǎn)生的電能會將功率單元的母線電壓抬高，AFE側(cè)將多余的能量回饋到電網(wǎng)，形成自動回饋。

5 變頻改造優(yōu)勢

（1）無啟動沖擊電流

采用世界領(lǐng)先的矢量控制方式，在低頻率運(yùn)行時不需進(jìn)行轉(zhuǎn)矩提升也可以輸出大轉(zhuǎn)矩。在啟動過程中無沖擊電流，啟動電流小于電機(jī)的額定電流，非常適合頻繁啟動的提升系統(tǒng)。單相啟動電流的波形圖如圖9所示。

（2）編碼器閉環(huán)矢量控制

針對提升機(jī)精確速度控制和較大啟動轉(zhuǎn)矩要求，匯川高壓變頻器帶速度傳感器，矢量控制的速度控制精度能達(dá)到0.05%，啟動轉(zhuǎn)矩可達(dá)到200%/0hz。完全滿足了提升機(jī)的高精度控制，快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，良好的低頻特性，保證了提升機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，抱閘磨損小，沖擊小。

圖9 啟動波形

（3）無編碼器開環(huán)矢量控制

提升機(jī)現(xiàn)場使用的電機(jī)多為繞線式電機(jī)，在電機(jī)軸上加裝編碼器非常麻煩，如果安裝位置稍有不對，編碼器會經(jīng)常損壞，影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行。繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)短接及安裝編碼器困難圖如圖10所示。匯川高壓變頻器針對此種情況，特別提出了無編碼器開環(huán)矢量控制方式，無需安裝編碼器，控制效果幾乎與安裝編碼器的效果一致，得到了客戶的好評。匯川高壓變頻器的磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)是基于電機(jī)d-q軸系數(shù)學(xué)方程，對電機(jī)的磁鏈、電流進(jìn)行解耦控制，具有磁鏈、電壓閉環(huán)特點(diǎn)。控制精度高，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，低頻特性好，提升機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，抱閘磨損小，沖擊小，完全滿足了不同現(xiàn)場的需要。磁鏈閉環(huán)矢量控制原理圖如圖11所示。

圖10 繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)短接及安裝編碼器困難圖

（4）低頻大扭矩

匯川技術(shù)HD92四象限高壓變頻器采用世界領(lǐng)先的矢量控制技術(shù)，具有優(yōu)越的低頻特性，閉環(huán)矢量200%額定轉(zhuǎn)矩/0Hz；開環(huán)矢量180%額定轉(zhuǎn)矩/0.5Hz。

優(yōu)秀的低頻特性，確保了提升機(jī)在低速運(yùn)行時，依然能夠有足夠的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行提升，不會出現(xiàn)溜鉤、怠速抱閘等現(xiàn)象。

圖11 磁鏈閉環(huán)矢量控制原理圖

（5）長壽命設(shè)計

匯川技術(shù)HD92四象限高壓變頻器全部采用薄膜電容設(shè)計，使用壽命為普通電解電容的10倍以上，確保了變頻器的使用壽命。

（6）無諧波

匯川技術(shù)HD92四象限高壓變頻器采用AFE可控整流方式，可自動調(diào)節(jié)功率因數(shù)，使得功率因數(shù)接近于1，并且在每個功率單元輸入側(cè)均配有PFC專用能量回饋電抗器，對回饋到電網(wǎng)的電流進(jìn)行濾波，確保對網(wǎng)側(cè)沒有任何諧波污染。HD92四象限高壓變頻器高壓進(jìn)線端電流波形圖如圖12所示。

（7）節(jié)能

對于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，功率與轉(zhuǎn)速近似成一次線性關(guān)系，即P=K×T×N，從圖13中我們可以看出，傳統(tǒng)利用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的方式，在電阻上消耗了大量能量，采用變頻調(diào)速裝置改造后，可節(jié)省在電阻上消耗的全部能量。原有的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，在啟動和停止過程中，有大量的轉(zhuǎn)差功率消耗在電阻上，造成電能的極大浪費(fèi)，采用變頻器調(diào)速后，可將這部分能量全部省掉。通過現(xiàn)場抄表比較，相比之前的串電阻調(diào)速方式，變頻改造后可節(jié)約電能大約15%。變頻器改造前后優(yōu)劣勢對比如表2所示。變頻改造前后節(jié)能對比如圖13所示。

圖12 HD92四象限高壓變頻器高壓進(jìn)線端電流波形圖

表2 變頻器改造前后優(yōu)劣勢對比

圖13 變頻改造前后節(jié)能對比

6 現(xiàn)場應(yīng)用圖片（如圖14～17所示）

圖14 變頻器放置圖

圖15 控制臺圖

圖16 系統(tǒng)正常運(yùn)行

圖17 井口圖

7 結(jié)語

通過現(xiàn)場長時間的測試情況來看，匯川HD92-F060/500-RN的四象限高壓變頻器完全能夠滿足現(xiàn)場的提升機(jī)工藝需求，變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的節(jié)能效果，且能夠改善運(yùn)行工藝，達(dá)到多重改造效果，經(jīng)濟(jì)效益及社會效益顯著。

匯川技術(shù)有限公司依托多年在自動化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗，對裝備制造業(yè)的變頻測試系統(tǒng)具有獨(dú)到的方案解決能力，HD9X系列高壓變頻器為采用矢量控制技術(shù)的高性能變頻器，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于冶金、電力、化工、市政、裝備制造業(yè)等多個應(yīng)用領(lǐng)域。