高压变频调速技术在矿井提升机中的应用
高压变频调速技术在矿井提升机中的应用 刘晓玲 黄河水利职业技术学院机电系 摘 要： 针对矿井提升机中采用转子串电阻, 晶闸管调速等传统调速方式存在的问题, 分析了采用高压变频调速代替原有电控系统, 并介绍了高压变频器调速系统的结构原理及特点, 应用高压变频调速系统不仅提高了电控系统控制精度及调速性能, 而且有效的提升了矿井提升机的工作效率与安全性能。关键词： 高压变频器; 提升机; 调速; 作者简介：刘晓玲 (1974-) , 天津武清人, 硕士研究生, 从事电机与电气控制、PLC 控制教学与研究。基金：河南省青年骨干教师资助项目资助, 项目编号:2013GGJS-2000 引言矿井提升机是矿山生产的重要运输设备, 因此, 矿井提升机控制系统必须具有安全可靠、运行高效且定位准确的能力。直流电机虽然具有良好的调速性能, 但是其结构复杂, 电刷和换向器故障较多, 能耗大, 所以逐渐被交流变频调速系统所取代。高压变频器具有调速性能好、功率因数高、谐波电流小、能量可双向流动, 可节能 30%以上, 成为国家节能工程重点推广技术。采用交流调速取代直流调速已成为矿井提升机控制系统的发展趋势。1 矿井提升机的调速系统比较1.1 转子串电阻调速交流单机、双机拖动的提升系统目前仍然大量地采用绕线电机转子串联电阻的调速方式, 此调速方式存在的问题: (1) 转子回路串联 5 至 10 级电阻, 一部分功率消耗在电阻上, 能耗高, 结构复杂, 体积大; (2) 调速属于有极调速, 造成运行不平稳, 易引起电气和机械冲击; (3) 重物下放状态无法通过转子电阻在额定转速以下运行; (4) 绕线电机滑环存在接触不良, 容易引起设备故障; (5) 功率因数低。1.2 直流调速系统直流电机调速性能好, 调速范围广, 易于实现平滑调速, 并且启动和制动转矩大, 过载能力强等优点, 但仍有不足之处:(1) 与同容量, 同转速的交流电机相比, 直流电机造价高, 体积大; (2) 直流电机存在电刷和换向器, 结构和制造工艺复杂, 较交流电机故障率高, 维护工作量大、维护费用高; (3) 以晶闸管整流设备为基础的直流调速系统的谐波污染严重, 功率因数低, 对电网造成谐波污染大。1.3 变频调速交流变频调速是把工频 50Hz 交流电转换成频率和电压可调的交流电, 从而改变交流电机的电压和频率, 达到调节电机转速的目的。提升机高压变频调速系统主要由高压变频器、高压交流电机、调速控制系统组成。它的优点是可根据负载的变化实现自动、平滑调速;可以在线直接启动, 而且启动电流小, 启动转矩大, 启动冲击小;保护功能完善;节能效果明显。采用变频调速后, 风机、泵类负载的节能效果最明显, 节电率据有关资料查询可达到 70%。另外对电动机的些参数做到补偿, 对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到及时、准确的检测, 而自动采取相应的措施保护电动机, 这对煤矿提升机工作稳定性尤为重要。2 矿井提升机高压变频调速系统矿井提升机由于功率大, 低压电机不能满足要求, 因此通常采用高压电机与高压变频器和控制系统组成提升机变频调速系统。2.1 高压电机目前, 对于我国大功率矿井提升机而言, 当单机容量在 1000 kw 及以下时, 多数采用高压交流绕线式异步电动机拖动;当单机功率大于 2500 kw 及其以上时, 采用高压同步电动机拖动居多。高压电动机是指额定电压在 1000V 以上的电动机, 常用的是 6kv 和 10kv 电压, 由于国外电网的不同, 也有 3.3kv 和 6.6kv 的电压等级。高压电机的产生是由于电机功率与电压和电流的乘积成正比, 因此低压电机功率增大到一定程度 (如 300kw/380v) , 电流受到导线的允许承受能力的限制就难以做大, 或成本过高, 需要通过提高电压实现大功率输出。高压电机的特点是功率大, 承受冲击能力强;缺点是惯性大, 启动和制动困难。高压交流电机有异步电机和同步电机, 由于同步电机具有功率因数高、变频容量小、动态性能好等显著优点, 国际上 2000k W 以上大功率变频调速多趋向于同步电机。对于之前同步电机阻尼绕组容易烧毁的难题, 对同步电机进行改造, 为阻尼电流设计的合理的通路, 使国产高压变频同步电机研制成功。2.2 高压变频器高压变频器系统技术复杂, 涉及电力电子、自动控制和电机等多个学科领域, 该技术被少数国外大公司所垄断, 大型高压变频器长期依赖进口, 不仅成本高, 而且一旦出现故障更换配件和维修周期长, 严重影响生产。为此, 国家把高压变频调速装备国产化列为重大技术攻关项目。高压变频器的主要问题是大功率、高电压、大电流、高效率和高可靠性, 而变频技术主要取决于电力电子器件的发展。目前, 高压变频器主要器件是晶闸管、绝缘栅双极晶体管 IGBT、集成门级换向晶闸管 IGCT。常用的高压变频器主要结构是由 IGBT 大功率器件组成三电平, 五电平, 级联多电平等变频系统。目前, 国内应用较多的是级联多电平变频系统。级联多电平变频器内部结构是由若干个基本逆变单元通过串联连接而形成单相和三相逆变器, 使每个逆变单元的输出电压进行叠加, 可以得到需要的 6kv, 10kv 高压输出。功率单元采用模块化结构, 所有的功率单元可以互换, 易于移动、拆装和现场维修。图 1 是级联多电平拓扑结构, 其额定输出电压为 6KV 的高压变频器, 每相由 6个额定电压为 577v 的功率单元串联而成, 输出相电压最高可达 3462V, 线电压可达 6KV 左右, 每个功率单元承受全部的输出电流, 但只提供 l/6 的相电压和l/1 8 的输出功率。图 1 功率单元串联式多电平原理示意图 下载原图2.3 高压变频器功率单元结构图 2 高压变频器功率单元结构 下载原图通过由二级管组成的三相整流桥式电路, 将三相交流电全波整流成直流电, 当功率单元额定电压为 577V 时, 直流母线电压为 800V 左右。再通过滤波电容滤平全波整流后的电压波纹, 并且当负载变化时保持直流电压平稳。逆变器由 4个耐压为 1700V 的逆变管模块组成桥式单相逆变电路, 是变频器实现变频的具体执行环节, 在 O1和 O2两端得到变压变频的交流输出, 输出电压为单相交流577V 频率为 0-50Hz (根据电动机的额定功率, 可以相应的调整, 最高可达120Hz) 。由于电动机绕组是电感性的, 其电流具有无功分量, 采用二极管为无功电流返回直流电源提供通道, 并且当频率下降, 电动机处于再生制动状态时, 再生电流通过整流后反馈给直流电路。逆变器输出采用多电平移相式 PWM 控制技术, 即脉冲幅度调节方式。它的特点是变频器在改变输出频率的同时, 也改变了电压的脉冲频率和占空比。通过改变脉冲宽度就可以改变输出电压幅值;改变调制周期可以控制输出频率, 大大减少了负载电流中的高次谐波。所以这种变频器对电动机没有特殊的要求, 可用于普通的高压电动机, 也可以用于旧电动机, 且不必降额使用。高压变频器的输出电压是由单元的电压等级和串联数量决定, 单元的电流决定了变频器的输出电流。由于串联的功率单元较多, 所以对功率单元本身的可靠性要求较高。功率单元与主控系统之间通过光纤进行通信, 以解决强弱电之间的隔离问题和干扰问题。3 矢量控制系统提升机交流异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统, 要求调速系统具有高动态性能。目前应用最多是矢量控制系统和直接转矩控制系统, 如图 3 所示。矢量控制是一种高性能的异步电机的控制方式, 它通过矢量坐标电路控制电机定子电流的大小和相位, 把交流电机定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流分别加以控制, 并同时控制两个分量的幅值和相位, 从而控制电机转矩。通过矢量控制方式, 实现了交流电机等效直流电机的控制方式, 在动静态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。图 3 矢量控制系统 下载原图4 结束语通过对矿井提升机调速方案的分析可知, 交流绕线式异步电动机转子回路串电阻调速方案由于存在结构复杂、调速过程冲击大、能耗高、维修量大等问题, 所以绕线式电机控制提升机系统会随着时间的推移被淘汰。采用高压变频器调速系统控制的矿井提升机系统, 消除了启动时的机械冲击, 启动电流小, 启动转矩大, 运行平稳, 功率因数高, 提高了系统安全性, 可靠性, 在系统允许范围内最大程度地提高了生产效率, 控制精确, 使不经济的工况运行转变为最佳的工况运行, 节能效果非常显著, 也符合我们国家提出的节能减排的要求。参考文献1陈琳等.高压变频器在矿井提升系统中的应用J.科学技术, 2011 (05) :202-203. 2马建民等.现代提升机数字控制系统M.北京:中国矿业大学出版社, 2002 (08) . 3杨公源.变频器应用实例M.北京:电子工业出版社, 2006 (05) . 4叶予光等.矿井交流提升系统中 PLC 电控系统的应用与研究J.煤矿机械, 2004 (09) :128-129.
