大型礦山主井提升系統(tǒng)電氣傳動(dòng)方案比較

紀(jì) 凱

(中鋼集團(tuán)馬鞍山礦院工程勘察設(shè)計(jì)有限公司)

我國(guó)80%以上的金屬礦為地下礦，礦井是地下礦與地面連通的唯一通道。主井是地下礦石的提升通道，是地下礦山的咽喉要道。主井提升機(jī)作為提升地下礦石的關(guān)鍵性設(shè)備，其機(jī)電傳動(dòng)性能直接影響著整座礦山的生產(chǎn)效率。主井提升機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)甚至是一座礦山數(shù)字化、自動(dòng)化、機(jī)電一體化先進(jìn)程度的標(biāo)志。鑒于主井提升機(jī)在礦山生產(chǎn)中的核心地位，且提升機(jī)屬往復(fù)運(yùn)動(dòng)位能型負(fù)載，載荷級(jí)變化量大，因此其對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)要求很高，礦山主井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的研究一直是電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。

1 主井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展

根據(jù)提升機(jī)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求，主井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)分為直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)兩類。直流傳動(dòng)包括晶閘管變流調(diào)速系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)等；交流傳動(dòng)包括繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，中、低壓變頻調(diào)速，交交變頻調(diào)速，交直交變頻調(diào)速等。

20世紀(jì)80年代之前，我國(guó)提升機(jī)傳動(dòng)方式大多數(shù)采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，小部分采用G-M直流調(diào)速方式。80年代之后，逐漸采用V-M直流調(diào)速方式。近年來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路、模擬電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及控制技術(shù)的發(fā)展，提升機(jī)傳動(dòng)方式漸漸開(kāi)始采用交直交變頻技術(shù)和交交變頻技術(shù)，特別是在大容量的礦山提升機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。

實(shí)際工程應(yīng)用中，主井提升機(jī)電氣傳動(dòng)方案一般根據(jù)主井提升機(jī)的電機(jī)容量通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。主井提升機(jī)電氣傳動(dòng)方案的分類及其特性見(jiàn)表1。

表1 主井提升機(jī)電氣傳動(dòng)方案分類及其特性

由表1可以看出，我國(guó)礦山提升機(jī)電控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，尤其是高功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)的出現(xiàn)，使提升電控裝置呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)礦山具體需求，可以制定出各種不同的礦井提升電氣傳動(dòng)方案。

2 主井提升機(jī)電氣傳動(dòng)方案對(duì)比

隨著近年來(lái)我國(guó)礦產(chǎn)資源開(kāi)采力度的逐漸增大，礦山規(guī)模不斷攀升，礦井提升機(jī)呈大容量的發(fā)展趨勢(shì)。主井提升機(jī)作為礦山提升地下礦石的主要設(shè)備，功率比其他礦井提升機(jī)要大得多，一般都在1 000 kW以上。目前主井提升機(jī)傳動(dòng)方案仍以直流調(diào)速為主，直流調(diào)速系統(tǒng)使用電控裝置對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速范圍廣而平滑，啟、制動(dòng)及過(guò)載轉(zhuǎn)矩大和易實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1]，適合應(yīng)用于礦山主井提升機(jī)的電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)采用可控硅功率器件調(diào)節(jié)電樞電壓從而達(dá)到調(diào)速的目的，由于提升機(jī)屬恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因此目前提升機(jī)直流電氣傳動(dòng)基本采用磁場(chǎng)恒定、電樞可逆的傳動(dòng)方式[2]。

直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)除上述優(yōu)點(diǎn)外，還存在一些限制性的缺點(diǎn)。直流電機(jī)具有換向器和電刷，電刷易產(chǎn)生火花，限制了其適用場(chǎng)所，且維護(hù)量大。由于存在換向問(wèn)題，生產(chǎn)廠家難以制造出大容量低速直流電動(dòng)機(jī)。目前低速直流電動(dòng)機(jī)容量限制在3 000 kW左右，這就限制了直流電機(jī)在礦山的使用。為克服這一缺點(diǎn)，業(yè)界開(kāi)始研究交流電機(jī)傳動(dòng)，取得了較大成就，在一些場(chǎng)合下可以代替直流電機(jī)。特別是在一些大容量提升機(jī)調(diào)速場(chǎng)合，交流同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)性能甚至可以媲美直流傳動(dòng)。

交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)在使用之初是以交交變頻系統(tǒng)為主，主要適用于大容量交流同步電機(jī)。90年代末至今，隨著全控性功率器件IGBT、IGCT的研制應(yīng)用，在礦山提升系統(tǒng)中，交直交變頻逐漸取代了交交變頻技術(shù)。雖然同步電機(jī)交直交變頻技術(shù)性能可以和直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美，但在大容量交直交變頻技術(shù)應(yīng)用之初，因其價(jià)格高昂，使得該技術(shù)的推廣應(yīng)用比較困難。因此在一定的功率范圍內(nèi)，當(dāng)時(shí)的直流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)仍然具有較高的性價(jià)比。近年來(lái)，大功率交直交變頻設(shè)備價(jià)格大幅下降，盡管仍高于直流傳動(dòng)系統(tǒng)，但性價(jià)比大大提升。

以某工程中2 800 kW主井提升機(jī)為例，對(duì)同步電機(jī)交直交變頻系統(tǒng)和直流傳動(dòng)系統(tǒng)的電控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，以給礦山電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)者和廠方在以后的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)中參考。

2.1 初期投資比較

2011年和2015年交流傳動(dòng)(交直交變頻)和直流傳動(dòng)系統(tǒng)(電機(jī)容量2 800 kW)的設(shè)備投資見(jiàn)表2。

從表2可以看出，2015年直流傳動(dòng)系統(tǒng)和同步電機(jī)的交流傳動(dòng)系統(tǒng)的價(jià)格差約190萬(wàn)元，比2011年10月價(jià)格差820萬(wàn)元已大幅降低，交流傳動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格已和直流傳動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)接近。

表2 直流傳動(dòng)與交流傳動(dòng)(同步電機(jī))投資對(duì)比 萬(wàn)元

注：直流傳動(dòng)電控價(jià)格包含諧波治理設(shè)備價(jià)格。

2.2 交流同步電機(jī)和直流電機(jī)比較

2.2.1 經(jīng)濟(jì)效益比較

交流同步電機(jī)效率比直流電機(jī)高約10%，可提高生產(chǎn)效率，省電節(jié)能。兩種方案均按每天工作19.5 h、每年工作330 d的方式進(jìn)行計(jì)算。提升不均衡系數(shù)1.15，經(jīng)過(guò)五階段運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，提升循環(huán)過(guò)程等效功率約2 050 kW。

(1)采用直流電機(jī)時(shí)，電機(jī)從電網(wǎng)輸入功率

P入=P出/η，

(1)

式中，P入為電機(jī)從電網(wǎng)輸入功率，kW；P出為電機(jī)輸出功率，kW；η為電機(jī)效率，直流電機(jī)取0.85，交流同步電機(jī)取0.953。計(jì)算可得2 412 kW。

(2)采用交流同步電機(jī)時(shí)電機(jī)從電網(wǎng)輸入功率

(3)直流電機(jī)比交流同步電機(jī)多耗功率

(4)采用交流同步電機(jī)每年平均節(jié)能為264×19.5÷1.15×330×0.65=96.02萬(wàn)元。

(5)投資回收期和經(jīng)濟(jì)效益。按兩者投資差190萬(wàn)元計(jì)算，約兩年時(shí)間可收回成本。按礦井服務(wù)期為30 a計(jì)算，采用交流同步電機(jī)比直流電機(jī)可多產(chǎn)生效益約2 690萬(wàn)元，如果電價(jià)上漲，經(jīng)濟(jì)效益更加可觀。

2.2.2 維護(hù)成本比較

直流電機(jī)電刷和換向器每年更換維護(hù)費(fèi)用約20萬(wàn)元，且需增加維護(hù)人員1～2人，人員工資按5～10萬(wàn)元/a計(jì)算，采用直流傳動(dòng)系統(tǒng)總維護(hù)成本比交流傳動(dòng)系統(tǒng)高約25～30萬(wàn)元/a。

2.2.3 電機(jī)維護(hù)量比較

交流電機(jī)相比直流電機(jī)維護(hù)量要小。直流電機(jī)維護(hù)量約145 h/a，交流同步電機(jī)36 h，僅為直流機(jī)的1/4左右，提升效率大大提高。

交流同步電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，大大減小了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間和峰值電流，減少了電動(dòng)機(jī)的絕緣老化程度和維護(hù)量，延長(zhǎng)了電機(jī)壽命；同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越，并且易于實(shí)現(xiàn)分散控制系統(tǒng)的改造。

2.2.4 功率因數(shù)比較

交流同步電機(jī)是容性負(fù)載，功率因數(shù)高，不但可省去直流電控系統(tǒng)的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，還能為電網(wǎng)內(nèi)其他感性負(fù)載補(bǔ)償功率因數(shù)，從而節(jié)省功率因數(shù)補(bǔ)償裝置維護(hù)時(shí)間及費(fèi)用。

2.2.5 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較

交流同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于直流電機(jī)，因此交流電機(jī)的加速性能優(yōu)于直流電機(jī)，提升效率可達(dá)10%。對(duì)于相同負(fù)載，設(shè)計(jì)上交流同步電機(jī)可選擇比直流電機(jī)小的容量。選擇交流同步電機(jī)2 800 kW，可在不改變提升速度的情況下提升19 m3的箕斗，每次可增加提升量約4 t，以利于增加礦山產(chǎn)能。為進(jìn)一步節(jié)省投資，可選擇2 500 kW的交流同步電機(jī)，仍能滿足提升能力設(shè)計(jì)要求。

2.2.6 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好

交流同步電機(jī)不會(huì)因電刷產(chǎn)生的火花而限制過(guò)載能力，可以有更大的動(dòng)態(tài)加速電流，提高提升效率。

2.2.7 電機(jī)價(jià)格比較

功率2 800 kW的交流同步電機(jī)比直流電機(jī)便宜，價(jià)格差約33～50萬(wàn)/臺(tái)，交流同步電機(jī)一般比同功率直流電機(jī)便宜10%～15%。

2.2.8 環(huán)境適應(yīng)性比較

直流電機(jī)因具有電刷和換向器而限制了環(huán)境適應(yīng)性，交流同步電機(jī)則不存在該問(wèn)題。

2.3 電控系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)比較

2.3.1 諧波污染

由于直流調(diào)速系統(tǒng)晶閘管變流器采用相切控制方式調(diào)節(jié)直流電壓或電流，網(wǎng)側(cè)正弦波型發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波電流。諧波電流會(huì)降低電動(dòng)機(jī)、變壓器等一些電氣設(shè)備的使用壽命，影響配電設(shè)備、電子設(shè)備的正常使用，造成繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作或拒動(dòng)。

直流傳動(dòng)12脈動(dòng)系統(tǒng)仍含有大量低次諧波，故障運(yùn)行時(shí)的6脈動(dòng)系統(tǒng)低次諧波量更大，遠(yuǎn)高于國(guó)家規(guī)定值。

同步電機(jī)的交流矢量變頻系統(tǒng)，采用先進(jìn)的SVPWM控制技術(shù)，大大提高了正弦基波的比例，抑制低次諧波，系統(tǒng)中諧波含量極小[3]。直流傳動(dòng)與交流傳動(dòng)系統(tǒng)中諧波含量見(jiàn)圖1。

圖1 直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)方案頻譜分析

圖1表明，直流傳動(dòng)方案直流幅值分量比較大、奇次諧波含量很大，交流變頻傳動(dòng)方案諧波含量則很小，電網(wǎng)污染也小。內(nèi)蒙某礦山應(yīng)用交流變頻裝置，實(shí)際測(cè)量諧波含量?jī)H1%，遠(yuǎn)低于5%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 功率因數(shù)

直流傳動(dòng)中的晶閘管變流器屬感性負(fù)載，在運(yùn)行期間無(wú)功功率損失大，其功率因數(shù)隨變流器控制角的變化而變化。晶閘管變流器在工作期間功率因數(shù)偏低，通常在裝置起動(dòng)時(shí)最低，在勻速運(yùn)行階段較高，通常低于0.8，一般為0.02～0.70，需設(shè)置無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。對(duì)于礦山主井提升機(jī)這樣的大功率頻繁起停的負(fù)載，無(wú)功沖擊更大，電網(wǎng)電壓波動(dòng)問(wèn)題更為嚴(yán)重[4]。

同步電動(dòng)機(jī)交流傳動(dòng)采用三電平交直交變頻器，該裝置網(wǎng)測(cè)變換采用的是全控整流橋，功率因數(shù)通常可達(dá)0.98以上。在其輕載運(yùn)行時(shí)，還能對(duì)系統(tǒng)中其他無(wú)功負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。三電平交直交變頻器接入側(cè)諧波電流含量在網(wǎng)側(cè)不設(shè)置濾波裝置時(shí)可達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，因此采用交流三電平變頻方式能夠使礦山企業(yè)省去增設(shè)無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備的投資。

2.3.3 調(diào)速性能

交流傳動(dòng)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制理論的出現(xiàn)和成熟應(yīng)用，形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的交流調(diào)速系統(tǒng)。國(guó)外已將交交變頻調(diào)速系統(tǒng)和具有四象限性能的交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于復(fù)雜的、要求較高的、多水平、大容量的礦井提升機(jī)中。

目前交流同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)已非常成熟，特別是交流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制理論的出現(xiàn)并且應(yīng)用成熟后，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了多種性能優(yōu)越的交流傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。同步電機(jī)三電平變頻系統(tǒng)采用矢量控制，電機(jī)定子電流通過(guò)坐標(biāo)變換分解成為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，分別用來(lái)控制電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩，該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)速性能可以和直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美[5-6]。

2.3.4 可靠性

同步電機(jī)由于采用雙繞組設(shè)計(jì)，在安全穩(wěn)定性上有很大改善。當(dāng)某一繞組的回路(包括變頻器、高壓柜、變壓器)出現(xiàn)故障時(shí)，可以使用單繞組實(shí)現(xiàn)全載半速，能以原系統(tǒng)75%左右的效率維持生產(chǎn)。相比直流電機(jī)，可靠性大大提高。

3 結(jié) 論

直流傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)速性能優(yōu)越，使用晶閘管可逆變流裝置可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，已成熟并應(yīng)用多年，但直流電機(jī)存在制造工藝和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電機(jī)設(shè)有碳刷和換向器、維護(hù)費(fèi)用高、維護(hù)量大、晶閘管變流裝置所產(chǎn)生的功率因數(shù)偏低和電網(wǎng)諧波污染等一系列的問(wèn)題，目前已不再是大容量主井提升系統(tǒng)的首選傳統(tǒng)方式。

交流電機(jī)相比直流電機(jī)具有大幅提高提升機(jī)運(yùn)行的可靠性和電控系統(tǒng)的功率因數(shù)、提高提升效率、降低電網(wǎng)污染、降低維護(hù)成本的優(yōu)勢(shì)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，交流調(diào)速全面取代直流調(diào)速系統(tǒng)已是大勢(shì)所趨。特別是在大容量主井提升機(jī)的電氣傳動(dòng)方案選擇時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)交直交變頻系統(tǒng)完全可以取代直流傳動(dòng)系統(tǒng)，同步電機(jī)變頻系統(tǒng)在調(diào)速性能、運(yùn)行費(fèi)用、電網(wǎng)污染等方面都要優(yōu)于直流傳動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用潛力巨大。