產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在山西華燁煤礦絞車中的應用
1引言
山西臨縣華燁煤業(yè)有限公司位于呂梁市臨縣林家坪鎮(zhèn)滴水局村南，煤礦井田面積6.971km2,生產規(guī)模為120萬噸/年。此次改造的礦井提升機為礦井主斜井，斜井斜長837米，傾角23°，井口安裝JK-2×1.5絞車，斜井擔負著提煤、下放大件、檢修皮帶機任務。
礦井提升機采用繞線式異步電動機拖動，電機的調速方式采用傳統(tǒng)的串電阻調速方式，該調速方式屬于落后技術，存在以下缺點：
(1)大量的電能消耗在轉差電阻上，造成了嚴重的能源浪費。
(2)控制系統(tǒng)復雜，導致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了生產效率。
(3)低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時，很難實現減速控制，導致調速不連續(xù)、速度控制性能較差。
(4)啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現“掉道”現象。
(5)自動化程度不高，增加了開采成本，影響了產量。
(6)低速段的啟動力矩小，機械特性比較軟，帶負載能力差。
針對以上這些問題，煤礦決定對原系統(tǒng)進行改造。根據當今科技的發(fā)展，采用技術含量較高的變頻調速，替代原來的繞線電機串電阻調速，是較理想的方案。經礦方多方面考察多個用戶現場，選用了山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產的風光牌JD-BP38-400T型高壓提升機變頻系統(tǒng)。
臨縣華燁煤礦絞車現場為單滾筒絞車，絞車設備配置如表1、表2所示。現場設備如圖1所示。
圖1 現場設備圖
2 新風光高壓提升機變頻器系統(tǒng)的特點
新風光電子公司是國內較早的從事提升機變頻器研究的專業(yè)廠家，風光牌高壓提升機變頻器被列入國家火炬計劃，產品榮獲國家重點新產品、山東省科技進步獎，產品被列入國家重點節(jié)能技術推廣目錄第一批名單。
此次變頻改造選用1臺JD-BP38-400T型高壓提升機變頻器，額定電壓10kV，額定電流29A，額定功率400kW。高壓提升機變頻器技術指標如表3所示。
JD-BP38-400T型高壓提升變頻調速器采用進口IGBT為主控器件，采用先進的矢量控制調速技術，以DSP為控制核心，精心巧妙科學的程序邏輯，以彩色液晶觸摸屏為人機對話界面，科學人性化的界面語言，全中文的語言顯示，便于操作及查詢。風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。風光10kV高壓提升變頻器，采用若干個低壓逆變器功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，所用的10kV高壓提升變頻器，變壓器有27組付邊繞組，每相分為9個功率單元，三相共27個單元，采用54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)結構如圖2所示。功率單元電路如圖3所示。
圖2高壓提升變頻器系統(tǒng)結構圖
圖3功率單元電路結構
控制器核心由高速32位芯片運算來實現，精心設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，同時可以實現遠程監(jiān)控和網絡化控制。PLC控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調，增強了系統(tǒng)的靈活性。控制器及各控制單元板中采用先進的單片機等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術，系統(tǒng)具有極高的可靠性。此外還有一個CPU，負責管理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，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，方便調試、維修、現場培訓，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，依據用戶要求連接打印設備，每班數據打印，形成設備報表。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。當電機處于負力提升時，變頻器實時檢測進行能量回饋電網。
3變頻改造方案
3.1主回路改造接線
改造提升機用變頻器是在原提升機電控系統(tǒng)的基礎上，加裝變頻調速系統(tǒng)，高壓變頻器為山東新風光電子公司生產的JD-BP38-400T型高壓提升機變頻器，安全可靠，狀態(tài)顯示齊全，具備與絞車控制系統(tǒng)配合的各種接口，滿足現有的各種電器閉鎖要求，符合《煤礦安全規(guī)程》要求。改造中將原繞線電機轉子回路進行短接處理，利用原繞線電機，節(jié)約了投資。
依據生產情況確定設備改造時間定于2013年11月初進行。為不大面積影響煤礦生產，把輔料預先下放到位，間歇性停機改造。
主回路改造原理如圖4所示：
圖4 主回路改造圖
3.2變頻控制與操作臺接口
變頻器與電控系統(tǒng)連接框圖如圖5所示。
（1）速度控制信號輸入
電控系統(tǒng)給一路4～20mA模擬量速度信號。
（2）模擬量輸出
系統(tǒng)提供兩路模擬輸出，模擬量輸出設定為4～20mA輸出電流和4～20mA輸出頻率。
（3）與操作臺遠程控制
上提、下放、抱閘（松閘）、安全回路輸入、安全回路輸出、變頻就緒、故障輸出。
圖5 變頻器與電控系統(tǒng)連接框圖
3.3變頻器有關參數設置
現將調試中的一些參數設置介紹如下。
1、變頻器的加減速時間設置很重要，其設置根本原則有兩個方面，第一，盡可能利用變頻器自身的快速響應功能，加減速時間盡量短，提高絞車的運行速度，提高生產效率；第二，最大加速度不允許超過國家安標，防止安全事故，基于以上兩點考慮，實際應用中，變頻器從0至50Hz的加速時間設置為6s，從50Hz至0Hz的減速時間設置為6s，經現場實際運行，完全滿足現場運行要求。
2、額定電壓(V)設置：變頻器在額定頻率時對應的輸出電壓。星點漂移功能參數：設為10009表示10000V每相9個單元，變頻器在星點漂移功能使用時，主控板在單元保護時做偏移角度計算。
3、轉矩提升（HMI V2.10）改善變頻器低頻轉矩特性，可對輸出電壓提升補償；默認值為0，如10代表1.0%，22代表2.2%。額定電壓為10000V時，如果設置為10，則對應電壓在最低頻率（0Hz）電壓提高100V，設置為100時，則對應電壓在最低頻率（0Hz）電壓提高1000V；低頻補償值設為10時，則2Hz時輸出電壓為10000*[（2/50）+ 0.01]=500V在運行過程中設置不響應，停機后設置有效。本參數在調試中設定為10。
4、單元保護個數：主控停機當變頻器單元故障數目達到設定的值時，變頻器停機封鎖輸出的同時給出故障信號。本參數設定為2。
5、過壓保護值（V）：當輸入電壓值高于該設置值時，變頻器給出過壓保護。本參數設定為12000。
6、欠壓保護值(V) 當輸入電壓值低于該設置值時，變頻器給出欠壓保護（主控程序V210的欠壓保護是必須在有輸出電流的情況下才進行保護，并且電流不能小于額定電流的30%）。本參數設定為8000。
7、有關拖動電機參數錄入：按照電機銘牌參數在變頻器相應人機界面上輸入相應參數即可。
8、啟動模式選擇：本提升機針對不同提升機啟動要求，有兩種模式選擇。
（1）直流制動模式：當提升機給出方向信號和閘信號后，變頻器啟動運行；
（2）堵轉運行模式：當提升機給出方向信號，變頻器開始運行，當電機電流達到所需的電流閥值時，松閘信號給出，絞車開始運行。本機中該參數設置直流制動模式有效。
9、提升機單、雙鉤選擇：本提升機針對單、雙鉤提升機，有兩種模式選擇。
（1）雙鉤：適用于雙鉤運行的現場。
（2）單鉤：適用于單鉤運行的現場。本機中設置單鉤有效。
4變頻運行情況
從目前運行情況看，主井提升絞車變頻拖動后，實現了絞車的軟啟動、軟停止，提高了生產效率。據實測，當減速及重物下放時，實現了制動回饋。尤其在低速段節(jié)能明顯，在提升量基本相同的情況下，變頻運行時節(jié)電量達25%以上。另外，變頻器保護功能齊全，除一般過載、短路、過欠壓、缺相等保護功能外，還設有連鎖保護、自動限速保護功能等，保證了提升機的安全運行。變頻器保護監(jiān)控精確定位。方便用戶對故障進行診斷。變頻器故障相應人機界面如圖6所示。A、B、C各相每個單元如果發(fā)生母線過壓、逆變過流、回饋過流、接收光纖故障、開機信號、缺相、過熱、主控接收光纖故障等故障時，均可在相應功率單元上顯示，精確定位故障，方便用戶處理，及時采取措施，排除故障，提高了設備的可靠性。
圖6變頻器故障記錄與故障診斷界面
5結束語
提升機高壓變頻器應用于交流提升機轉子串電阻電控系統(tǒng)改造及新提升機電控系統(tǒng)配置，提高了礦山提升機控制技術和裝備水平，絞車實現了高轉矩、高精度、寬調速范圍驅動，確保了提升機高質量運行，是交流提升機電控系統(tǒng)發(fā)展的方向，也得到了越來越多的煤礦認同，提升機變頻器應用前景越來越廣闊。
