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解決方案

小港煤礦提升絞車高壓變頻改造紀實

發(fā)布時間:2014-04-11 作者:新風(fēng)光
1引言
  提升機是礦井的關(guān)鍵和重大安全設(shè)備之一,用作提升礦物和物料及設(shè)備等,是礦井系統(tǒng)設(shè)備的咽喉。在整個生產(chǎn)過程中,占有非常重要的地位,它不僅關(guān)系到礦井的正常安全生產(chǎn)和生產(chǎn)效率,而且直接影響上、下井人員的生命財產(chǎn)安全,因此,它的電氣傳動及控制裝置一直是各國傳動界的一個重要研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)大多數(shù)礦井提升機采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻的交流調(diào)速系統(tǒng),這種系統(tǒng)屬于有級調(diào)速,低速轉(zhuǎn)矩小,轉(zhuǎn)差功率大,啟動電流和換擋電流沖擊大;中高速運動振動大,制動不安全不可靠,對再生能量處理不力,斜井提升機運行中調(diào)速不連續(xù),容易掉道,故障率高。礦用提升機的技術(shù)更新改造要求迫在眉睫。而采用DSP全數(shù)字變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)代表礦井提升機技術(shù)的先進水平。
2原礦山提升機調(diào)速系統(tǒng)簡介
  山東明興礦業(yè)集團有限公司座落在蓮花山下、汶水之畔,位于新泰市城區(qū)西十公里小港村西,是一家以煤為主、多業(yè)并舉的綜合性生產(chǎn)企業(yè)集團,屬國有中型二級企業(yè)。小港煤礦是明興礦業(yè)集團的下屬煤礦之一,現(xiàn)礦井地質(zhì)儲量3134.1萬噸,核定為90萬噸/年。該礦井為立井,主井提升機為雙筒式礦井提升機,雙滾筒單繩纏繞式,礦井深度 235m,雙罐籠,由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制,該提升機絞車采用線繞式異步電動機,用轉(zhuǎn)子串電阻的方法調(diào)速。
  隨著交流變頻技術(shù)的發(fā)展和成熟,變頻調(diào)速性能的優(yōu)越性日益顯現(xiàn)。以變頻器為核心的調(diào)速系統(tǒng),在交流礦井提升機上也越來越多的被采用,徹底改變了沿襲幾十年的交流絞車轉(zhuǎn)子串電阻分級調(diào)速的模式,使提升機獲得平穩(wěn)、安全、可靠的運行狀態(tài)。采用變頻控制的提升機,基本上可以獲得與直流電機相同的調(diào)速和制動性能,而對電機的要求相對要低,適用普通異步電動機,改造時無需更換。這里比較一下轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式和變頻器調(diào)速方式的優(yōu)缺點,詳見表1。

  經(jīng)礦領(lǐng)導(dǎo)多方面考察、對比,煤礦決定對原提升絞車系統(tǒng)進行改造,選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37-400T型高壓變頻器提升系統(tǒng)對主井提升機進行改造。
3 改造方案
3.1原提升設(shè)備參數(shù)

       主要設(shè)備參數(shù)如表2所示。

3.2高壓提升機變頻器參數(shù)
  新風(fēng)光電子公司是國內(nèi)較早的從事提升機變頻器研究的專業(yè)廠家,風(fēng)光牌高壓提升機變頻器被列入國家火炬計劃,產(chǎn)品榮獲國家重點新產(chǎn)品、山東省科技進步獎,產(chǎn)品被列入國家重點節(jié)能技術(shù)推廣目錄第一批名單。
  風(fēng)光高壓提升機變頻器采用先進的矢量控制技術(shù),加速時可以實現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)矩輸出,加速時間縮小至較短,而減速時,可以控制電機在四象限運行,輸出制動轉(zhuǎn)矩,減速時間縮至較短,同時,將勢能轉(zhuǎn)化為電能,回饋至電網(wǎng),從而達到節(jié)能的目的。風(fēng)光高壓提升機變頻器具體參數(shù)如表3所示。

3.3改造方案
  為了確保安全可靠,讓變頻調(diào)速系統(tǒng)與原調(diào)速系統(tǒng)并存,互為備用,隨時可以切換。改造系統(tǒng)控制思路如圖1所示:

  主回路改造原理如圖2所示:

  圖2中K1、K2、K3為三臺高壓隔離開關(guān),為了確保不向變頻器輸出端反送電,K1、K3與K2采用電磁互鎖操動機構(gòu),實現(xiàn)電磁和機械互鎖。K4為轉(zhuǎn)子側(cè)雙擲開關(guān),變頻運行時,K4切換到變頻側(cè),繞線電機轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)雙擲開關(guān)K4后處于短接狀態(tài);工頻運行時,K4切換到工頻側(cè),繞線電機轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)K4接至原調(diào)速電阻裝置。當(dāng)K1、K3閉合,K2斷開,K4切換到變頻側(cè),電機變頻運行;當(dāng)K1、K3斷開,K2閉合,K4切換到工頻側(cè),電機工頻運行,此時變頻器從高壓中隔離出來,便于檢修、維護和調(diào)試。另外,為了保證安全,變頻器高壓連跳信號和上一級的高壓斷路器也實現(xiàn)互鎖,變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線圈,變頻器出現(xiàn)故障時,上一級的高壓斷路器斷開,實現(xiàn)高壓故障連跳功能。
4新風(fēng)光高壓提升機變頻器系統(tǒng)的特點
  JD-BP37-400T型高壓提升變頻調(diào)速器采用進口IGBT為主控器件,采用先進的矢量控制調(diào)速技術(shù),以DSP為控制核心,精心巧妙科學(xué)的程序邏輯,以彩色液晶觸摸屏為人機對話界面,科學(xué)人性化的界面語言,全中文的語言顯示,便于操作及查詢。風(fēng)光牌高壓提升機變頻器,即可用于鼠籠式電機也可用于繞線式電機,即可用于新礦井配套安裝,也可用于老礦井改造。風(fēng)光6kV高壓提升變頻器,采用若干個低壓逆變器功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出,所用的6kV高壓提升變頻器,變壓器有18組付邊繞組,每相分為6個功率單元,三相共18個單元,采用36脈沖整流,輸入端的諧波成分低于國標規(guī)定。高壓提升變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。功率單元電路如圖4所示。

  控制器核心由高速32位芯片運算來實現(xiàn),精心設(shè)計的算法可以保證電機達到較優(yōu)的運行性能。人機界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面,同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。PLC控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理,以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào),增強了系統(tǒng)的靈活性??刂破骷案骺刂茊卧逯胁捎孟冗M的單片機等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù),系統(tǒng)具有極高的可靠性。此外還有一個CPU,負責(zé)管理LED顯示屏和鍵盤。
  另外,控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(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,同時具有很好的抗電磁干擾性能,并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器,方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場培訓(xùn),增強了系統(tǒng)的可靠性。
  高壓提升變頻器是整個電控系統(tǒng)的一個核心部分,它具有與電控系統(tǒng)相適配的各種接口。它接受操作臺電控系統(tǒng)的操作命令,同時它又將運行狀態(tài),包括工作頻率、電機電流、電源電壓、電流及故障信息隨時送給電控系統(tǒng)。變頻器本身又將工作信號及工作狀態(tài)自動記錄以備查閱,依據(jù)用戶要求連接打印設(shè)備,每班數(shù)據(jù)打印,形成設(shè)備報表。變頻器的所有輸入、輸出接口均進行了隔離,避免對變頻器引入干擾。當(dāng)電機處于負力提升時,變頻器實時檢測進行能量回饋電網(wǎng)。
5高壓提升機變頻器與電控系統(tǒng)的配合
  高壓提升機變頻器是整個改造系統(tǒng)的一個核心部分,它具有與電控系統(tǒng)相適配的各種接口。配合自動控制的操作臺運行時,電控臺向變頻器發(fā)出“正轉(zhuǎn)運行”、“反轉(zhuǎn)運行”和“變頻急?!比烽_關(guān)量信號,以及一路4~20mA“給定轉(zhuǎn)速”信號。變頻器向電控臺發(fā)出“變頻器待機”和“變頻器故障”兩路開關(guān)量信號,以及用于顯示的模擬量輸出信號。電控臺控制高壓斷路器分、合閘,變頻器輸出的“合閘允許”與“緊急分斷”分別連入相應(yīng)的控制回路中。絞車上安裝的軸編碼器向電控臺發(fā)出電機轉(zhuǎn)速及絞車位置信號。電控臺接受絞車司機的操作指令。
  變頻器執(zhí)行電控系統(tǒng)的指令,完成啟動、停止及其加減速的動作。當(dāng)制動手柄與主令手柄推離零位后,經(jīng)過可編程控制器的運算發(fā)出模擬量信號作為高壓變頻器的模擬輸入給定,同時發(fā)出“正轉(zhuǎn)運行”或“反轉(zhuǎn)運行”指令,高壓變頻器接收到電控臺發(fā)出的指令,按照根據(jù)絞車速度曲線圖設(shè)定好的加速時間進行升速。隨著高壓變頻器輸出頻率由最低升至最高后,提升機進入高速段。當(dāng)提升容器運行至減速點時,電控臺通過輸入給定控制變頻器,變頻器依據(jù)設(shè)定好的減速時間逐漸由最高頻率向設(shè)定的爬行速度對應(yīng)的頻率降速,提升機從高速階段進入減速段運行。當(dāng)前速度降至爬行速度時,提升機進入到低速段運行,并保持該速度。提升容器運行到卸載位置時,電控臺進行抱閘操作,同時發(fā)出“變頻器急?!敝噶睿链送瓿梢淮翁嵘^程。
  整個提升機系統(tǒng)中設(shè)有深度指示失效、限速、過卷、反轉(zhuǎn)、制動油過壓、閘瓦磨損、松繩、速度監(jiān)視、制動油超溫、潤滑油超壓欠壓、變頻器的輕重故障等保護功能。系統(tǒng)能根據(jù)故障性質(zhì)作出響應(yīng),必要時實施緊急制動或二級制動,確保設(shè)備及人員的安全。
6 改造過程
   改造工程流程如下:先把變頻器安裝到位,進行主回路線路改造,然后進行操作臺的固定安裝,連接操作臺與變頻器之間的連線,調(diào)試操作臺與變頻器的信號傳遞,正常后把變頻器和操作臺聯(lián)入到原操作系統(tǒng)中統(tǒng)調(diào),帶重載調(diào)試這是改造中的重點部分。整個改造工程流程如圖5所示:

7基本控制
(1)交流制動。本提升機用變頻器,交流制動對提升系統(tǒng)的安全運行起到重要作用,當(dāng)重車在中間停車時,檢測到停機信號后給控制器發(fā)出信號,讓變頻器由高頻迅速地降到低頻(1Hz左右),給提升機一低頻制動,讓提升機從高速能較快速地降為低速,待PLC檢測到機械制動起作用的信號后,PLC發(fā)出信號讓控制器去掉交流制動信號,使提升機靠機械抱閘裝置停穩(wěn)。啟動時,先對提升機施加一交流制動信號,建立啟動力矩,待檢測到機械抱閘信號后發(fā)出信號給控制器去掉交流制動信號,然后由控制器加上啟動電壓讓提升機開始轉(zhuǎn)動。
(2)運行速度的控制。為了減少運行過程中的機械沖擊,在提升機啟動和停止過程中,做到加速度連續(xù),不同的頻率,對應(yīng)不同的加減速速率,在本裝置的控制中,將不同頻率時的加減速速率規(guī)劃成一個表格,運行中用查表的方法確定對應(yīng)頻率時的加減速速率,使提升機平滑運行,減少機械沖擊。
(3)再生能量通過功率單元來處理,如圖6示:

  電機處于發(fā)電狀態(tài),功率單元母線電壓Vbus升高,當(dāng)母線電壓超過電網(wǎng)電壓的1.1倍時,高速CPU根據(jù)比較器和相位檢測的結(jié)果輸出六路SPWM波形,使逆變塊A中的IGBT工作,通過輸入電感,電動機的再生能量最后通過移相變壓器回饋到電網(wǎng),裝置充分利用了移相變壓器對諧波的抵消作用,對電網(wǎng)無諧波污染、功率因數(shù)高、控制簡單、損耗小,返回到電網(wǎng)諧波小于國家標準。
8現(xiàn)場應(yīng)用情況及效果
  改造工程于2011年9月利用煤礦生產(chǎn)間歇進行,10月份正式投入運行。從目前運行情況看,提升絞車變頻改造后,實現(xiàn)了電動機的真正軟啟動,縮短了提升時間,減少維護工作量,提高了生產(chǎn)效率。大大提高了提升機的安全運行。
  變頻改造后,提升機絞車運行中主要有如下好處:
(1)省去了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗,具有十分明顯的節(jié)能效果。
(2)克服了接觸器、電阻器繞線電機電刷等容易損壞的缺點,降低了故障和事故的發(fā)生率,提高了系統(tǒng)的可靠性。
(3)實現(xiàn)了軟啟動、軟停車,減少了機械沖擊,使運行更加平穩(wěn)可靠。
(4)實現(xiàn)了無級平滑調(diào)速,可在靜態(tài)或動態(tài)任意調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速,運行平穩(wěn),無轉(zhuǎn)差沖擊。
(5)提升機加減速過程的平穩(wěn)控制,運行過程纜繩擺幅明顯減小,人員升降舒適性明顯提高。
(6)基本無維護工作量,操作簡單,減低了維護人員和操作人員的工作強度。
(7)系統(tǒng)具有更完善的軟硬件保護環(huán)節(jié)。
9結(jié)束語
  風(fēng)光高壓提升機變頻器在主井提升機轉(zhuǎn)子串電阻電控系統(tǒng)改造中,不僅提高了提升系統(tǒng)的安全性和可靠性,而且大大減低了維護費用,節(jié)能效果明顯,實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動,是交流提升機電控系統(tǒng)發(fā)展的方向,應(yīng)用前景廣闊。