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1、XX煤业有限公司关于副井高压变频电控改造的可行性报告副井提升是煤矿生产运输过程中的关键环节之一。而XX煤矿副井提升机电控系统还使用着比较落后的交流绕线式电机转子串电阻调速控制。在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别是在负载变动时恒加减速控制，经常会造成过放和过卷。频繁的启动和制动工作过程，也会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗；转子串电阻调速控制电路复杂，接触器，电阻器，绕线电机电刷等容易损坏，影响煤矿安全生产，导致生产成本的增加。电气传动技术至关重要，其性能的优劣和可靠性的高低，直接关系到矿井能否正常化安全生产运行问题。XX煤矿为增加副井提升安全性能，考虑论证对电控系统进行了高压变频技术改
2、造。改造后可以有效增加副井绞车运行的安全系数，提高运行稳定性，改善绞车乘人舒适性，并且减少了电力消耗。该技术在煤矿副井绞车上的应用，在全国煤炭系统中的也是比较先进的。一、设备选用技术参数提升机型号：2JK-31.5卷筒尺寸：3000mm1500mm提升速度：0-5.8m/s卷筒数量：2个钢丝绳型号：6V37-32-1670减速箱型号：ZHLR-150传动比：20电机型号：JR158-8额定功率：380KW定子额定电压：6000V定子额定电流：48.13A转子额定电压：552V转子额定电流：414.2A额定转速：738r/min提升高度：361.5m二、原绞车电控系统运行中存在的问题：XX煤矿副
3、井提升电控系统采用2001年天津民意电气设备有限公司的TKD-D2-3286PCG系列提升绞车电控系统，采用转子串联电阻调速和低频制动低速运行。整个控制系统的性能差，属有级调速型，不能满足提升安全运行的需要。启动电流和电阻切换调速电流冲击大，中高速运行振动大，低速转矩小，使用低频增加力矩输出，由于电控系统老化等原因，在加减速段和等速段的切换中出现失控区，低频制动投入慢或不投入，易造成减速段超速，从而引起紧急抱闸等现象，对减速箱、联轴节、电机和钢丝绳等产生机械冲击，对各种设备产生较大损伤。具体列举原有电控系统目前存在的问题为：等速段过渡到减速段的切换中出现失控区，易造成减速段超速。调速性能差，机
4、械冲击大，运行不稳定。服务年限长，机构老化，故障率高，维护成本升高，可靠性差。单次提升运行时间长，系统生产效率低。与新型副井立井信号系统存在不兼容，系统中无慢上、慢下、提人、提物等信号输入点及相关信号闭锁功能，存在安全隐患。三、改造方案根据前述分析，采用高压变频调速电控系统，使用低压变频做为备用。为保证副井提升系统的安全运转，提高运行稳定性、可靠性尤为重要。广泛收集副井高压变频提升系统信息资料，组织相关技术人员至附近矿井考察、调研、学习，参考其高压变频调速电控系统运行情况，另根据2011年7月投入使用的主井高压变频实际使用情况，应用洛阳源创电气有限公司、北京合康亿盛科技有限公司合作生产的HIV
5、ERT-Y06型矿井提升机四象限高压变频调速装置，做为副井绞车的主调速系统，另选用低压变频做为备用，当高压变频出现故障时，能够切换使用低压变频实现绞车继续运行。高压变频器采用北京合康亿盛科技股份有限公司生产的高压变频器,变频器采用四象限变频调速装置,变频功率单元能够主副井通用，互为备用。功率单元采用最新型控制技术。能实现交流电机各种负载情况下的平滑启动、调速、制动、停车等功能，彻底消除机械及电气冲击，延长设备使用寿命。运行方式：调速范围0-50HZ，在此区间内，任意调节速度0-5.80m/s。节能运行：减速制动运行将电动机再生能量反馈到电网中去，实现电动机运行的能量再生制动。故障保护及显示：过
6、载、断相、过压、欠压。采用全数字高压交流变频调速系统,全数字速度、电流、位置闭环控制使提升机在任意速度下运行可靠并保持爬行距离恒定，使提升机较高运行效率。操作和安全保护系统选用两套不同配置的Siemens-S7-300可编程控制器，互为冗余控制。主辅PLC之间相互通讯及监视，操作过程实现双线控制方式，对提升机运行关键的信号（如速度、容器位置、安全、减速、过卷等）均采用多种保护，互为监视关系。系统能够完成手动、半自动、检修、紧急、对罐、人为过卷、调绳等各种运行方式的控制要求，并具备全自动运行功能。控制系统根据提升容器的位置、去向和提升种类，自动选取最大运行速度，提高系统的运行效率。能够与现使用常
7、熟新虞电器有限责任公司的自动信号系统配合。具有三条安全控制回路，其中，软件安全回路两条、硬件安全回路一条，关键环节采用三重或多重保护，比如过卷、超速、2米定点超速等。多条安全保护回路之间互相冗余，保证矿山设备的高效、安全运转。硬件安全回路包括后备减速、超速、限速、过卷保护。四、控制原理与技术指标随着变频调速技术的发展，交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机中应用。改后系统工作原理如下： 矢量控制原理 HIVERT采用转子带速度反馈的矢量控制技术。在转子磁场定位坐标下电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变，控制转矩电流也就控制电机转矩。电机转速采用闭环控制。实际运行中给定
8、转速与实际转速的差值通过 调节生成转矩电流 。经过矢量变换将 IT、IM变换为电机三相给定电流Ia* 、Ib* 、Ic* ，它们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号。其控制原理见如图 所示。1、主回路HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。HIVERT变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。 主隔离变压器原边为Y型接法，直接与高压相接。组数量依变频器电压等级及结构而定，6kV系列为18，延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。输入侧隔离变压器二次线圈经过移相，为功率单元提供电源，对6KV而言
9、相当于36脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波（尤其是低次谐波）的产生。变频器输出是580VAC功率单元六个串联时产生3450V相电压，线电压6000V，输出Y接，中性点悬浮，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。图2HIVERT-YVF06/077高压变频器6kV系列主电路图 图3为6kV六单元变频器输出的Uab线电压波形实录图图4即为输出电流Ia的实录波形图，峰值电流130A。图3输出线电压波形图4输出电流波形2、功率单元每个功率单元结构上完全一致，可以互换，HIVERT-Y06系列产品具备100%定额功率的能量回馈能力，功率单元原理见图5。图
10、5单元结构图图中：R：三相启动电阻K：三相接触器C：滤波电容L：滤波电感 功率单元利用IGBT进行同步整流，同步整流控制器实时检测单元电网输入电压，利用锁相控制技术得到电网输入电压相位，控制整流逆变开关管Q1Q6所构成的相位与电网电压的相位差，便可控制电功率在电网与功率单元之间的流向。以a相为例，若要控制a相电流正方向流动且幅值增大，必须使Q2导通，若要控制a相电流反方向流动且幅值减小，必须关断Q1，使电流通过Q2并联的续流二极管，当电机处于减速运行状态或负力提升时，由于负载惯性作用进入发电状态，其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高，电容器上的直流电压
11、达到有源逆变起动的门槛电压时，自动起动有源逆变，这时逆变相位超前，功率单元将电机及其负载的机械能转化为电能，回馈到电网中去。反之则电功率由电网注入功率单元，电功率大小与相位差成正比。电功率的大小及流向由单元电压决定，就同步整流而言，整流侧相当于一个稳压电源，与电功率大小及方向相对应的电网与逆变相位差由单元电压与单元整定值之间的偏差通过PID调节生成。 单元逆变输出由Q7Q10组成，采用矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q7Q10IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制正弦波形。3、控制系统 控制系统由控制器，IO板和人机界面组成。控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板和一块电源板组成。光
12、纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制（PWM）信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。 信号板采集变频器的输出电压、电流信号和光电编码盘信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护，以及提供给主控板数据采集。 主控板采用高速单片机，完成对电机控制的所有功能，运用正弦波空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通讯口与人机界面主控板进行交换数据，提供变频器的状态参数，并可网络化控制。通过主控板和IO接口板通讯来的数据，计算出电流、电压、功率、运行频
13、率等运行参数，并实现对电机的过载、过流告警和保护。通过RS232通讯口与主控板连接，通过RS485通讯口与IO接口板连接，实时监控变频器系统的状态。五、使用高压变频调速系统优点经过主井绞车高压变频调速系统2011年7月至今的运行情况，及监测中心的多次监测，绞车运行速度曲线平滑，加减速调整方便、快速、有效。克服了原有缺点，表现出显著的优点：1）启动、制动平稳，对设备无冲击，延长使用寿命。2）低速爬行平稳，定位精度高。3）自动化程度高，操作简单，降低操作人员劳动强度，改善操作环境。4）具有自诊断功能。5）变频器功率单元模块化，更换简单，安装调试容易。与主井单元互为备用,增加备用可靠系数。6）制动时
14、能量回馈电网,通过对主井绞车高压变频调速系统的应用,得此套变频系统能够节能15%，有显著的节能效果。7）使用高压变频为主、低压变频为备的绞车电控调速系统，明显提高了副井绞车运行可靠性。六、应用效果副井实施高压变频技术改造以后，运行质量、安全性和可靠性大大提高，运行质量提高，技术性能达到了国内先进水平。该技术可应用于需要四象限反馈、动态响应快、低速运行转矩大等高精度的场合；具有瞬时停电跟踪功能，实现了高转矩、高精度、宽调速范围驱动；具有低速输出转矩大，过载能力强、保护功能齐全、可靠性高、故障率低、维护方便特点；具有能量回馈电网功能，节能效果显著等优点。由于采用了高压变频控制技术，整个运行过程平稳，无级调速，乘坐舒适，减少了机械的冲击，延长了设备使用寿命，产生了非常可观的经济及社会效益。
