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高壓變頻器在山東煤礦提升絞車上的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2014-04-11 作者:新風(fēng)光

1用戶簡(jiǎn)介
  山東明興礦業(yè)集團(tuán)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(tuán),屬國(guó)有中型二級(jí)企業(yè)。小港煤礦是明興礦業(yè)集團(tuán)的下屬煤礦之一,礦井煤田范圍處于新汶煤田北部,新汶向斜的北翼,井田東西走向長(zhǎng)7km,南北寬0.5km,面積3.4889km2,現(xiàn)礦井地質(zhì)儲(chǔ)量3134.1萬噸,可采儲(chǔ)量1884.1萬噸,核定為90萬噸/年。副井提升機(jī)為雙筒式礦井提升機(jī),現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如圖1所示。




圖1  現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 

  電機(jī)的調(diào)速方式采用傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速方式,該調(diào)速方式屬于落后技術(shù),存在以下缺點(diǎn):
(1)大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上,造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。
(2)控制系統(tǒng)復(fù)雜,導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高,接觸器、電阻器、繞線電機(jī)碳刷容易損壞,維護(hù)工作量很大,直接影響了生產(chǎn)效率。
(3)低速和爬行階段需要依靠制動(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制,特別是在負(fù)載發(fā)生變化時(shí),很難實(shí)現(xiàn)恒減速控制,導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。
(4)啟動(dòng)和換檔沖擊電流大,造成了很大的機(jī)械沖擊,導(dǎo)致電機(jī)的使用壽命大大降低,而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。
(5)自動(dòng)化程度不高,增加了開采成本,影響了產(chǎn)量。
(6)低速段的啟動(dòng)力矩小,機(jī)械特性比較軟,帶負(fù)載能力差,無法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。
  針對(duì)以上這些問題,煤礦決定對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行改造。根據(jù)當(dāng)今科技的發(fā)展,采用技術(shù)含量較高的變頻調(diào)速,替代原來的繞線電機(jī)串電阻調(diào)速,是較理想的方案。經(jīng)礦方多方面考察多個(gè)用戶現(xiàn)場(chǎng),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-BP37-280T型高壓變頻器提升系統(tǒng)。
2 新風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器系統(tǒng)的特點(diǎn)
  新風(fēng)光電子公司是國(guó)內(nèi)較早的從事提升機(jī)變頻器研究的專業(yè)廠家,風(fēng)光牌高壓提升機(jī)變頻器被列入國(guó)家火炬計(jì)劃,產(chǎn)品榮獲國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品、山東省科技進(jìn)步獎(jiǎng),產(chǎn)品被列入國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄第一批名單。
2.1系統(tǒng)介紹
  JD-BP37-280T型高壓提升變頻調(diào)速器采用進(jìn)口IGBT為主控器件,采用先進(jìn)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(jī)對(duì)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(jī)變頻器,即可用于鼠籠式電機(jī)也可用于繞線式電機(jī),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(gè)低壓逆變器功率單元串聯(lián)的方式實(shí)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(gè)功率單元,三相共18個(gè)單元,采用36脈沖整流,輸入端的諧波成分低于國(guó)標(biāo)規(guī)定。高壓提升變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。功率單元電路如圖3所示。


  控制器核心由高速32位芯片運(yùn)算來實(shí)現(xiàn),精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到較優(yōu)的運(yùn)行性能。人機(jī)界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(hào)的邏輯處理,以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào),增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。控制器及各控制單元板中采用先進(jìn)的單片機(jī)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(gè)CPU,負(fù)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(shí)具有很好的抗電磁干擾性能,并且各個(gè)功率單元的控制電源采用一個(gè)獨(dú)立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器,方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn),增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
  高壓提升變頻器是整個(gè)電控系統(tǒng)的一個(gè)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(tái)電控系統(tǒng)的操作命令,同時(shí)它又將運(yùn)行狀態(tài),包括工作頻率、電機(jī)電流、電源電壓、電流及故障信息隨時(shí)送給電控系統(tǒng)。變頻器本身又將工作信號(hào)及工作狀態(tài)自動(dòng)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(bào)表。變頻器的所有輸入、輸出接口均進(jìn)行了隔離,避免對(duì)變頻器引入干擾。當(dāng)電機(jī)處于負(fù)力提升時(shí),變頻器實(shí)時(shí)檢測(cè)進(jìn)行能量回饋電網(wǎng)。
2.2操作臺(tái)(雙PLC系統(tǒng)和中間繼電器)
  操作臺(tái)上設(shè)有各種工況顯示設(shè)備,以彩色液晶觸摸屏為主要顯示設(shè)備,顯示各外部接點(diǎn)動(dòng)作狀態(tài),各模擬量回路狀態(tài)等,視覺更加直觀,便于維護(hù)保養(yǎng)工作。同時(shí)還具有必要的開關(guān)量、模擬量的數(shù)字顯示,可以獨(dú)立提供必要的提升數(shù)據(jù),其中包括:安全回路指示燈,油壓數(shù)字顯示液壓表,減速、故障聲光報(bào)警顯示,高、低壓表,電流表等。控制回路既有觸摸屏軟節(jié)點(diǎn)控制,減少按鈕及繼電器觸點(diǎn)的維護(hù)量,又有繼電器線路硬接點(diǎn)的控制,應(yīng)急備用。雙PLC及雙控制回路的操作臺(tái)系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)安全可靠。
3 改造方案
3.1原提升設(shè)備參數(shù)
  副井提升絞車為雙筒式礦井提升機(jī),型號(hào)為2JK-2.5/20,雙滾筒單繩繞線式,滾筒直徑是2.5米,直井,單罐籠。主要作為人員及輔料的運(yùn)輸,啟動(dòng)頻繁,負(fù)載變化范圍大。
  提煤容器為箕斗,提媒工藝如圖4所示:


3.2高壓變頻器參數(shù)
  風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器為可以四象限運(yùn)行的能量回饋型變頻器,采用較先進(jìn)的矢量控制技術(shù),加速時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)矩輸出,加速時(shí)間縮小至較短,而減速時(shí),可以控制電機(jī)在四象限運(yùn)行,輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,減速時(shí)間縮至較短,同時(shí),將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能,回饋至電網(wǎng),從而達(dá)到節(jié)能的目的。風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器具體參數(shù)如表2所示。

3.3改造方案
  依據(jù)生產(chǎn)情況確定設(shè)備改造時(shí)間定于2011年9月中旬進(jìn)行。為不大面積影響煤礦生產(chǎn),把輔料預(yù)先下放到位,間歇性停機(jī)改造。改造順序如下:
(1)先把變頻器安裝到位,初步調(diào)試正常。
(2)然后進(jìn)行主回路線路改造,主回路改造原理如圖5所示:

  圖5中K1、K2、K3為三臺(tái)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(dòng)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)電磁和機(jī)械互鎖。K4為轉(zhuǎn)子側(cè)雙擲開關(guān),變頻運(yùn)行時(shí),K4切換到變頻側(cè),繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)雙擲開關(guān)K4后處于短接狀態(tài);工頻運(yùn)行時(shí),K4切換到工頻側(cè),繞線電機(jī)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(jī)變頻運(yùn)行;當(dāng)K1、K3斷開,K2閉合,K4切換到工頻側(cè),電機(jī)工頻運(yùn)行,此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來,便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。另外,為了保證安全,變頻器高壓連跳信號(hào)和上一級(jí)的高壓斷路器也實(shí)現(xiàn)互鎖,變頻器高壓連跳串入上一級(jí)高壓斷路器的脫扣線圈,變頻器出現(xiàn)故障時(shí),上一級(jí)的高壓斷路器斷開,實(shí)現(xiàn)高壓故障連跳功能。
(3)接下來進(jìn)行操作臺(tái)的固定安裝,連接操作臺(tái)與變頻器之間的連線,調(diào)試操作臺(tái)與變頻器的信號(hào)傳遞,正常后把變頻器和操作臺(tái)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(diǎn)部分。整個(gè)改造工程流程如圖6所示:

(4)高壓變頻調(diào)速提升系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)提升絞車的自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行兩種方式:
①自動(dòng)運(yùn)行方式
  正常工作狀態(tài)下,利用變頻器及操作臺(tái)內(nèi)PLC豐富的編程控制能力,通過設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù),變頻器完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行,極大地提高了提升機(jī)的運(yùn)行效率及運(yùn)行安全,大大降低了司機(jī)操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。自動(dòng)運(yùn)行速度如圖7所示:

  圖7中,以正轉(zhuǎn)為例,開機(jī)時(shí)低速爬行時(shí)間t1、收到減速信號(hào)后減速動(dòng)作時(shí)間t2、中速運(yùn)行時(shí)間t3、停機(jī)前爬行時(shí)間t4根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可以自由設(shè)置。提升機(jī)運(yùn)行過程中,除開、停機(jī)外,可以不需要人工干預(yù)。
② 手動(dòng)運(yùn)行方式
  手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行方式可在操作臺(tái)進(jìn)行選擇,特殊負(fù)載運(yùn)行需要的情況下可用手動(dòng)方式,操作者通過主今控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的爬行、加速、減速、恒速運(yùn)行,但在系統(tǒng)給出減速信號(hào)后,為保證整個(gè)系統(tǒng)安全,變頻器仍然會(huì)啟動(dòng)機(jī)內(nèi)自動(dòng)減速程序。
3.4變頻器與主控臺(tái)的接口
  變頻器與主控臺(tái)的接口主要如下:
   變頻器接受主控臺(tái)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停以及轉(zhuǎn)速給定等指令,變頻器反饋給主控臺(tái)的信號(hào)有:待機(jī)、運(yùn)行、輕故障、重故障、旁路故障、輸出轉(zhuǎn)速及輸出電流等。
  變頻器受高壓電后,主控臺(tái)通過檢測(cè)電機(jī)的待機(jī)信號(hào),判斷變頻器已經(jīng)可以運(yùn)行,主控臺(tái)在自動(dòng)模式下,通過控制變頻器,實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)運(yùn)行的5段速度曲線。
3.5變頻器有關(guān)參數(shù)設(shè)置
  變頻器的加減速時(shí)間設(shè)置很重要,其設(shè)置根本原則有兩個(gè)方面,第一,盡可能利用變頻器自身的快速響應(yīng)功能,加減速時(shí)間盡量短,提高箕斗的運(yùn)行速度,提高生產(chǎn)效率;第二,最大加速度不允許超過國(guó)家安標(biāo),防止安全事故,基于以上兩點(diǎn)考慮,實(shí)際應(yīng)用中,變頻器從0至50Hz的加速時(shí)間設(shè)置為11s,從50Hz至0Hz的減速時(shí)間設(shè)置為7s,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行,完全滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求。
4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及運(yùn)行效果
  從目前運(yùn)行情況看,副井提升絞車變頻改造后,實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的真正軟啟動(dòng),縮短了提升時(shí)間,減少維護(hù)工作量,提高了生產(chǎn)效率。大大提高了提升機(jī)的安全運(yùn)行。高壓提升機(jī)變頻器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行如圖8所示。



圖8 風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖

  絞車改造后,整個(gè)變頻提升系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):
(1)變頻系統(tǒng)甩掉了原電控調(diào)速用的交流接觸器及調(diào)速電阻,提高了系統(tǒng)的可靠性,改善了操作人員的工作環(huán)境。
(2)實(shí)現(xiàn)了絞車電機(jī)的軟起動(dòng)和軟停止,使運(yùn)行更加平穩(wěn),機(jī)械沖擊小。
(3)啟動(dòng)及加速過程沖擊電流小,加速過程中最大啟動(dòng)電流不超過1.3倍的額定電流,提升機(jī)在重載下從低速平穩(wěn)無級(jí)平滑地升至最高速,也沒有大電流出現(xiàn),大大地減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
(4)增加了直流制動(dòng)功能,使重車停車時(shí)更加平穩(wěn)。
(5) 節(jié)能效果顯著。據(jù)實(shí)測(cè),在低速段節(jié)能明顯,一般可達(dá)到20%左右。采用回饋制動(dòng),節(jié)能效果越明顯。
(6) 保護(hù)功能齊全,除了過壓、欠壓、過載、過熱、短路等自身保護(hù)外,還設(shè)有外圍控制的連鎖保護(hù),包括制動(dòng)閘信號(hào)與正、反轉(zhuǎn)信號(hào)的連鎖,變頻器故障信號(hào)與系統(tǒng)安全回路的連鎖,機(jī)內(nèi)備有自動(dòng)減速程序等。對(duì)提升機(jī)運(yùn)行過程中的參數(shù)及可能危及提升機(jī)正常運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè),并具有故障顯示、報(bào)警功能。
(7) 減少維護(hù)工作量,縮短了提升時(shí)間,提高了生產(chǎn)效率。
  鑒于風(fēng)光高壓提升變頻系統(tǒng)改造的良好效果,同期改造的主井提升系統(tǒng)也采用新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的高壓提升機(jī)變頻器。