利德华福能量回馈型高性能高压变频调速系统在矿井提升机上的应用

一、前言

    龙煤集团双鸭山分公司集贤煤矿是一家从事煤炭开采多年的老矿，目前年产优质煤炭200万吨。该煤矿的 主井提升机为双筒式矿井提升机，滚筒直径为3.5米，提煤容器为箕斗，提媒工艺如下示意图：

     该采煤提升系统为目前中小煤矿普遍采用，采用箕斗作为提升容器，一个箕斗在井底煤仓自动装载后，被提升到地面卸载；另一箕斗由地面下降到井下煤仓处装煤。  

          箕斗通过机房的双滚筒带动，机房双滚筒采用两台800千瓦电机通过减速机拖动，电机的调速方式采用传统的串电阻调速方式，该调速方式属于落后技术，存在以下缺点： （1）大量的电能消耗在转差电阻上，造成了严重的能源浪费，同时电阻器的安装需要占用很大的空间。
　　（2）控制系统复杂，导致系统的故障率高，接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏，维护工作量很大，直接影响了生产效率。
　　（3）低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制，特别是在负载发生变化时，很难实现恒减速控制，导致调速不连续、速度控制性能较差。
　  （4）启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机的使用寿命大大降低。
　　（5）自动化程度不高，增加了开采成本，影响了产量。
　　（6）低电压和低速段的启动力矩小，带负载能力差，无法实现恒转矩提升。 目前，变频器调速系统作为当前最先进的交流电机调速系统，越来越多的应用于各种交流电机拖动场合，作为矿井提升机这种特殊行业、特殊负载，应用的案例还比较少，尤其是针对高压变频调速系统，双鸭山新立矿标新立异，敢于创新，通过多加比对，考察，决定采用北京利德华福电器技术有限公司生产的能量回馈型高性能矢量控制变频器对原系统进行改造。 二、能量回馈型高性能高压变频器系统简要介绍

         北京利德华福电气技术有限公司生产的能量回馈型高压变频器属于高性能具备矢量控制功能的新一代变频器，广泛应用于矿井提升机、需要快速制动的风机以及大型轧钢机负载上，其基本组成为：激磁涌流抑制柜、变压器柜、功率柜及控制柜。设备原理如上图，现简要说明：      1）涌流抑制：变压器在受电瞬间，会产生激磁涌流，该数值在正常额定电流的6到8倍左右，在电网容量较小的情况下，可能引起电网急剧负向波动，影响其他设备的正常运行。为了解决该问题，北京利德华福针对该场合运行的变频器加装了激磁涌流抑制柜，其主要组成部分为高压电阻及真空接触器，二者并联。当变频器受高压电瞬间，高压电阻串入变压器输入回路，通过电阻的限流作用降低激磁涌流，减小电网的负向波动。延时两秒钟后，受变频器控制系统控制，并接在高压电阻的真空接触器自动吸合，切除高压电阻，变频器投入正常运行。      2）变压器：该变压器为移相变压器。移相变压器给每个功率模块供电，移相变压器的副边绕组分为三组，根据电压等级和模块串联级数，一般由24、30、42、48脉冲系列等构成多级相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形（网侧电压电流谐波指标满足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其负载下的网侧功率因数接近1。由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。 3） 功率模块：功率模块是变频器中重要的组成部分，变频器输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长度，可直接用于普通电机。同时，电机的谐波损耗大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。对于能量回馈变频器的功率模块，其结构更为复杂，功率单元的输入部分不再是整流二极管，而是可控的开关器件（IGBT），并在每个功率模块中加装电流检测装置，通过对输入部分IGBT的控制，实现电流的双向流动，从而实现变频器的四象限运行功能。当某一个功率模块出现故障时，通过控制使输出端子短路，可将此单元旁路退出系统，变频器可降额机械运行；由此可避免很多场合下停机造成的损失。 需要说明的是，上述所有功能的实现，均由变频器的大脑——主控系统来实现，北京利德华福变频器的主控系统大体由高速单片机处理器、人机界面、PLC组成。单片机处理器利用公司具有自主知识产权的先进矢量控制技术，通过光纤通讯的方式对每个功率单元进行PWM控制。人机操作界面解决高压变频调速系统本身和用户现场接口的问题，提供友好的全中文监控界面，使用方便、快捷，同时可以实现远程监控和网络化控制。内置PLC则用于柜体内开关信号的逻辑处理，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊需要。    三、改造方案 电机参数 电机型号 YR800-10/1180 电机功率 800KW 额定电压 6000/3000V 额定电流 97/194A 额定转速 592r/min 生产厂家 哈尔滨电机厂   高压变频器参数 型号 HARVEST-FVA06/200 额定容量 2000KVA 输入/输出电压 6KV/6KV 额定电流 200A 生产厂家 北京利德华福电气技术有限公司   改造方案如下图：

       原有的串电阻调速方式继续保留，通过切换开关将高压变频器融入到原系统，保证两个系统操作的相对独立性。当变频器投入运行时，闭合QS3、QS4，通过转子切换柜将绕线式异步电动机转子短接，则变频器投入矿井提升机系统，变频器接受主控台指令正、反转及调速指令，驱动双电机同步调速正反转运行；当原有串电阻调速系统投入运行时，QS5、QS6 闭合，通过转子切换柜将原有电阻串入绕线式异步电动机转子回路，通过切换柜的变向及串入转子电阻的逐级切换，达到变向及调速的目的。上图中的QS3、QS4、QS5、QS6 等隔离开关相互之间保持机械互锁，且开关状态全部纳入主控台操作系统，这样，高压变频调速系统可以和原系统互为备用，增加矿井提升机运行的可靠性。变频器本体部分说明如下： 1）高压变频器采用单元串联多电平拓补结构，输入谐波小，功率因数高； 2）高压变频器为可以四象限运行的能量回馈型变频器，采用最先进的矢量控制技术，加速时可以实现最大的转矩输出，加速时间缩小至最短，而减速时，可以控制电机在四象限运行，输出制动转矩，减速时间缩至最短，同时，将势能转化为电能，回馈至电网，从而达到节能的目的； 3）考虑到矿用电网容量较小，变频器配备激磁涌流柜，在变频器送电初期，将激磁涌流抑制电阻投入主回路，延时两秒后，通过自动切换回路，切除激磁涌流抑制电阻，通过此种技术方案，降低变压器激磁涌流，保证变频器瞬间投入时不对电网造成电压波动； 4）单台变频器直接拖动两台电机，简化控制手段，降低故障风险。 四、变频器在矿井提升机系统中的应用

     上图为双鸭山集贤煤矿立井双箕斗提升系统主要组成部分，系统中包括：电机、高压变频器、主控台、液压站、润滑站、高压开关柜、减速机、联轴器、双滚筒、箕斗、天轮及原串电阻调速系统，因本文主要讲述高压变频器在矿井提升机系统中的应用，关于串电阻调速系统则在本文中不再详述。      图中，高压变频器作为动力调速装置，在整个提升系统中起着举足轻重的作用，下面则对此进行详细说明。      变频器通过高压开关柜受高压电，并且通过变频器控制系统检测高压电的相序，电压等一系列参数，如果参数超出变频器正常范围，则利用变频器自身的保护功能对变频器实施保护，为了降低变压器初期受电的激磁电流，避免受电时电网波动对其他运行设备的影响，该变频器配备了激磁涌流抑制柜，降低激磁电流，降低电网波动的幅度。      变频器与主控台的接口主要如下：      变频器接受主控台的正转、反转、急停以及转速给定等指令，变频器反馈给主控台的信号有：待机、运行、轻故障、重故障、旁路故障、输出转速及输出电流等。      变频器受高压电后，主控台通过检测电机的待机信号，判断变频器已经可以运行，主控台在自动模式下，通过控制变频器，实现矿井提升机运行的5段速度曲线，即启动加速段、匀速段、一次减速段、匀速爬行段和二次减速制动段，下面一一说明。      1） 启动加速段：主控台接受井下操作人员的打点命令，对变频器输出正转或反转命令，变频器按照预先设定的加速时间运行至最低频率，将运行信号反馈给主控台，此时作用于双滚筒上的抱闸系统处于抱闸状态，滚筒静止，拖动滚筒的电机处于堵转状态。主控台接收到变频器运行信号后，判断变频器输出电流，当检测电流达到电机额定电流后（双电机系统，额定电流为单电机额定电流的二倍），证明电机已经获得了足够的励磁转矩，因液压站液压阀的机械特性有时会发生微小变化，为了避免溜车现象的发生，主控台在此稍做了延时，一秒钟后主控台驱动液压站液压阀，液压阀再驱动滚筒抱闸系统，松开抱闸系统，电机堵转结束，开始旋转，通过减速机，滚筒开始运行，从而通过钢绳拖动两只箕斗上下运行。变频器接受主控台转速给定信号，逐步提高运行频率，按照预先设定的加速时间逐步提高运行频率，滚筒转速逐步提高；       2 ）匀速段：当转速给定指令提高至50赫兹，变频器运行至50赫兹时，进入匀速段，此阶段，变频器维持最大输出，滚筒运行至最高速度，拖动箕斗在最高速度下运行；      3 ）一次减速段：主控台通过立井系统的位置传感器接收箕斗运行位置信号，当到达一次减速区间的时候，主控台按照预先设定的程序减小转速给定指令数值，变频器接收到新的转速给定数值后，执行，开始降低运行频率，拖动电机及滚筒减速运行。此时因箕斗之前还处于高速运行，突然降速后，由于惯性作用，电机进入发电状态，开始向变频器注入能量，变频器则利用自身的能量回馈功能，将此部分能量通过逆变回馈至电网，同时根据预先设定的降速曲线，对电机实施反作用力，达到快速降速的目的；      4 ） 匀速爬行段：主控台通过箕斗的位置传感信号，通过预设数值，给定变频器低转速数值，变频器在此转速信号下维持低频率输出不变，箕斗低速运行，进入匀速爬行段；      5） 二次减速制动段：主控台通过箕斗的位置传感信号，判断箕斗即将进入预定停斗位置后，给变频器更低转速信号，变频器运行至最低频率，当箕斗即将到达预定位置后，主控台发出急停指令，变频器停止驱动电机，同时控制液压站，关断液压阀，从而驱动滚筒抱闸系统，经过二级制动，抱闸系统抱死，滚筒静止，箕斗停运，执行卸煤及装载流程。需要说明的是，当主控台发急停指令的时候，变频器通过自身编程延时0.5秒停止频率输出，此种技术手段是为了保证在滚筒抱闸系统已经起作用的时候，变频器仍有短时间力矩输出，防止抱闸系统抱闸瞬间变频器力矩输出为零，引起溜车现象，经现场反复运行，证明了该方案的可行性。      当然，在变频器运行的各个阶段，主控台通过轴编码器，分别监测电机、滚筒的转速，除了显示箕斗运行速度、实时深度等数值，还通过多个速度监测结果综合判断系统运行是否正常，另外，通过立井位置传感器、绳索、润滑站、液压站、电机过热保护器等系列参数，实现矿井提升机系统的上过卷、下过卷、松绳、润滑油油压过低或过高（润滑站主要是给减速机润滑）、液压站油压过高或过低、电机过载、绞车过速等一系列保护功能。      变频器的加减速时间设置很重要，其设置根本原则有两个方面，第一，尽可能利用变频器自身的快速响应功能，加减速时间尽量短，提高箕斗的运行速度，提高生产效率；第二，最大加速度不允许超过国家安标，防止安全事故，基于以上两点考虑，实际应用中，变频器从0至50赫兹的加速时间设置为12秒，从50赫兹至0赫兹的减速时间设置为9.7秒，经现场实际运行，完全满足现场运行要求。 变频器运行中，不但自身具备完善的各项保护功能，还可以利用接口电路实时将故障信息传送给主控台，实现联锁保护，最大限度地保证矿井提升机系统的安全运行。 下面是一组现场主要设备实图，今展示出来，提高感性认识。

 能量回馈高性能高压变频器调速系统

主控台

双电机

  液压站

  双滚筒

天轮   五、变频器在实际中应用遇到的问题及解决办法  实际调试过程中，曾经遇到如下问题：每次主控台给变频器正转或反转指令，变频器开始启动，在抱闸系统松开之前，提升机系统减速机部分都会发生“咣、咣”两声比较大的声响，很明显，不但产生噪音，而且对减速机的机械部分也是一种损害。仔细分析问题，最后把目光定在了电机与减速机之间的联轴器上，实物图如下：

    蛇形弹簧联轴器属于一种结构先进的金属弹性变刚度联轴器，它靠蛇簧嵌入两半联轴节的齿槽内来传递扭矩，主要由两个半联轴节，两个半外罩，两个密封圈及蛇形弹簧片组成。联轴器以蛇形弹簧片嵌入两个半联轴节的齿槽内，来实现主动轴与从动轴的链接。运转时，是靠主动端齿面对蛇簧的轴向作用力带动从动端，来传递扭矩，如此在很大程度上避免了共振现象发生，且簧片在传递扭矩时所产生的弹性变量，使机械系统能获得较好的减震效果，其平均减震率达36%以上。蛇形弹簧片采用优质弹簧钢制造经过严格的加工，处理具有良好的机械性能，使联轴器的寿命比非金属弹性元件联轴器大为延长。    问题就是出在蛇形弹簧联轴器上。因变频器为了满足现场快速启动的要求，设置了转矩提升功能，加大启动转矩,加速时间又很小( 从0到50赫兹之间仅为12秒) ，这样一来,当变频器启动，电机很快得到足够的励磁转矩，电机堵转，电机急速运行至变频器最低频率。此时，电机转矩较大，通过联轴器直接驱动减速机，减速机主动轮和从动轮之间是有间隙的，因此时抱闸系统处于抱闸状态，滚筒还处于静止状态，则减速机主动轴与从动轴齿轮间迅速发生碰撞，发生“咣”一声响，然而，变频器在低转速下，其输出转矩很显然无法和工频输出时相比，这样，当减速机主动轴齿轮与从动轴齿轮之间发生第一次碰撞后，因蛇形弹簧联轴器的弹性作用，瞬间产生反作用力矩，弹性越大，反作用力矩越强，而变频器此时输出的转矩则很难持续抗衡该反转矩，于是，蛇形弹簧联轴器带动电机瞬间反转，主动轴齿轮与从动轴齿轮之间又一次发生碰撞，又发生一次“咣”的声响，直至再次驱动从动轴时，此时滚筒抱闸系统已经松开，电机开始正常运行，则再无该机械声响。下一次，提升机从静止状态到运行状态，则现象依旧。   基于以上分析，最后，我们利用变频器先进的设置功能，在变频器加速时间上作了一些改动，将原有的加速时间分作三段，其中，在第一段加速时间为0至4赫兹2秒，第二段加速时间为4到15赫兹2秒，15至50赫兹加速时间为8秒。这样，保证在整个加速时间12秒不变，而主要是利用第一段加速时间来解决机械撞击的问题，即，当变频器接收到正转或反转指令后，启动，此时，电机的启动转矩依据第一段加速时间而逐步建立，其转矩的提升不再是瞬间至最大值，，而是有了一个斜度，作用在蛇形联轴器的力矩是个逐步增加的过程，充分利用了蛇形联轴器的弹性功能，不致于蛇形联轴器弹性过大，造成反力矩从而冲击从动轮，当力矩至最大时，滚筒抱闸系统已经松开，提升机系统开始提升，一切恰到好处，再无“咣、咣”的机械声响，问题得到彻底解决。   六、改造前后变频器与原串电阻调速系统的对比     能量回馈型高压变频器 原串电阻调速系统 快速性 变频器应用在矿井提升机中，考虑到负载的特殊性，往往设置余量较大，保证在最短的时间内变频器可以加速到最高频率，减速时，依靠变频器自身的能量回馈功能，将势能转化为电能回馈电网，同时产生反力矩，达到快速减速的目的，快速性好。   转子串电阻调速系统，其机械特性较软，转子逐级切换，其加速时间不能过快，另外，降速时，电机部分不再接受高压电，其降速时间完全取决于系统的机械特性，降速时间不可调，在低速爬行阶段，采用660V低压变频器维持3赫兹运行，其频率也不可调，快速性较差 稳定性 变频器属无级调速系统，调速运行时，电机运行平稳，无脉动感，系统稳定性好， 串电阻调速系统属有级调速，转子电阻切换过程中，电机转速变化较大，电机运行不平稳，有脉动感，系统稳定性差。 维修周期 变频器自身结构紧凑，作为系统，机械器件很少，除了定期更换滤网，防止滤网堵塞，其他维修工作量几乎没有，维修周期长。 串电阻调速系统换向切换柜需要真空接触器，接触器动作频繁，维护工作量大，需要定期更换，另外，因采用电机转子滑环，其维护工作量较大。整体设备维修周期短。 对系统的影响 变频器自身的软启动功能及平稳无级调速功能，决定了系统机械冲击大大减小，电机、减速机，滚筒、箕斗运行的轨道等等受到的冲击均降到最低。 串电阻调速系统无软启动功能，其调速属有级调速，稳定性差，启动瞬间对电机、减速机，滚筒冲击较大，降低系统使用寿命。另外，箕斗运行的轨道受到箕斗反复冲击，维修工作量相当大。 节能方面 变频器自身效率高，具有自动功率因数补偿功能，网侧功率因数接近1，且属高性能调速系统，能量损耗小，在系统降速阶段，可将一部分势能转化为电能回馈至电网，节能效果明显 串电阻调速系统自身效率低，调速时，相当一部分能量以热损耗的方式通过转子外接电阻浪费掉，另外，在降速过程中，无能量反馈功能，无法将部分势能转化为动能，属于低性能调速系统，无节能效果。 综合效益 基于以上说明，变频调速系统综合效益高 基于以上说明，串电阻调速系统综合效益低   七、结束语        绕线式电机转子串电阻调速，电阻上消耗大量的转差功率，速度越低，消耗的转差功率越大。使用能量回馈型变频调速，是一种不耗能的高效的调速方式。电机在发电状态下运行时还可以将能量回馈至电网，节能十分显著，取得了很好的经济效益。另外，提升机变频调速后，系统运行的稳定性和安全性得到大大的提高，减少了运行故障和停工工时，节省了人力和物力，提高了运煤能力，间接的经济效益也很可观。