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1引言

長(zhǎng)期以來(lái)，因建井絞車電動(dòng)機(jī)功率大，建井工況比正常生產(chǎn)礦井相對(duì)復(fù)雜很多，提升機(jī)變頻器生產(chǎn)廠家在技術(shù)不成熟的情況下不敢涉足建井行業(yè)。現(xiàn)場(chǎng)只能使用繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行調(diào)速控制。該方法雖然投資成本較低，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，電機(jī)電流波動(dòng)大，同時(shí)串電阻能耗高，故障率高，影響了安全生產(chǎn)水平。隨著變頻控制技術(shù)的進(jìn)步，在建井行業(yè)使用變頻絞車成為可能，由于國(guó)外品牌價(jià)格昂貴，大大增加了使用單位的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
2 用戶現(xiàn)場(chǎng)情況

該煤礦用戶礦井設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力1500萬(wàn)噸，礦井設(shè)計(jì)采用立井開(kāi)拓方式，布置兩個(gè)大采高綜采工作面。為了加快工作進(jìn)度和節(jié)約建設(shè)成本，該用戶通過(guò)論證和多方考察，決定兩套副提1250kW/6kV電機(jī)改為變頻控制，變頻器采用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-1400T（1400kW/6kV）2套高壓提升機(jī)變頻器對(duì)該副井絞車進(jìn)行拖動(dòng)。提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)如參數(shù)如表1、拖動(dòng)電機(jī)參數(shù)表2所示。

3 新風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)介紹

新風(fēng)光公司是國(guó)內(nèi)較早的從事提升機(jī)變頻器研究的專業(yè)廠家，新風(fēng)光高壓提升機(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。

新風(fēng)光JD-BP37-T系列高性能高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，以高速DSP（TMS320F2812）為控制核心，采用矢量控制技術(shù)，融合了能量回饋技術(shù)，以及IGBT大電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，是新一代高性能完美無(wú)諧波高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品的典型代表。矢量控制功能使得異步電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)好，調(diào)速精度高。能量回饋技術(shù)的應(yīng)用，使得功率單元串聯(lián)型高壓變頻器具備了四象限運(yùn)行能力，能量可以在電網(wǎng)和電機(jī)之間雙向流動(dòng)。矢量控制技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 矢量控制技術(shù)原理框圖

 此次變頻改造選用JD-BP37-1400T（1400kW/6kV）高壓提升機(jī)變頻器，高壓提升機(jī)變頻器技術(shù)參數(shù)如表3所示。

 表3  風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器技術(shù)指標(biāo)

風(fēng)光6kV高壓提升機(jī)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，移相變壓器有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。高壓提升變頻器功率單元電路如圖2所示。系統(tǒng)控制器核心由高速32位芯片運(yùn)算來(lái)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(kāi)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。

圖2功率單元電路結(jié)構(gòu)

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)絞車系統(tǒng)的一個(gè)核心部分，它具有與電控操作系統(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)。
4風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器的突出特點(diǎn)

風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器除具有普通高壓變頻器的功能外，還針對(duì)絞車控制，具有以下突出特點(diǎn)：
（1）電源輸入勵(lì)磁涌流限制技術(shù)：該技術(shù)使得系統(tǒng)在每次上高壓電時(shí)的沖擊電流小，對(duì)電網(wǎng)的沖擊也很小。
（2）系統(tǒng)斷電自動(dòng)保護(hù)技術(shù)：確保任何情況下系統(tǒng)都能安全運(yùn)行。如果沒(méi)有，提升機(jī)重載下放過(guò)程中，遇到系統(tǒng)停電時(shí)，會(huì)造成單元損壞甚至整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。
（3）變頻裝置為直接高-高結(jié)構(gòu)，直接6kV輸入，直接6kV輸出，可以直接安裝使用，不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任何改造。
（4）功率單元自動(dòng)旁路技術(shù)：在提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，意外出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)功率單元故障時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)將故障單元旁路，系統(tǒng)進(jìn)入星點(diǎn)偏移控制，保持輸出的線電壓平衡，同時(shí)保持較大輸出轉(zhuǎn)矩、電壓，完成本次提升任務(wù)。
（5）獨(dú)立的控制電源技術(shù)：獨(dú)立的控制電源技術(shù)，系統(tǒng)在不上高壓電的情況下可以檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的波形和調(diào)試、培訓(xùn)等，方便用戶自行檢修和維護(hù)。
（6）空載低損耗控制技術(shù)：變頻系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)下，空載損耗小，經(jīng)實(shí)測(cè)比通用技術(shù)產(chǎn)品要低2～3倍。
（7）采用矢量控制技術(shù)，電機(jī)可四象限運(yùn)行，具有不施閘懸停和力矩預(yù)置技術(shù)。
（8）承諾可以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)：1～2個(gè)單元故障可以旁路，完成一個(gè)提升循環(huán)。提升機(jī)滿載、全速提升和下放時(shí)，電源停電試驗(yàn)，變頻器確保不損壞。
（9）風(fēng)光變頻器單元內(nèi)電解電容因采取了本公司的專利技術(shù)（專利號(hào)ZL 2003 2 017356.2），可將其使用壽命提高一倍。
（10）提升機(jī)變頻器具有回饋制動(dòng)、直流制動(dòng)、安全制動(dòng)等多項(xiàng)制動(dòng)方式，保證了絞車可靠運(yùn)行。
（11）具有完備的與電控系統(tǒng)對(duì)接的各個(gè)接口，實(shí)現(xiàn)與絞車電控系統(tǒng)無(wú)縫連接。
5 高壓提升機(jī)變頻拖動(dòng)方案
5.1主回路接線

該礦井2臺(tái)絞車的控制方式相同，以其中1#絞車變頻改造為例介紹如下。主回路接線如圖3所示。

圖3 主回路接線

5.2變頻控制與操作臺(tái)接口

變頻器與電控系統(tǒng)連接框圖如圖4所示。
（1）速度控制信號(hào)輸入
電控系統(tǒng)給一路4～20mA模擬量速度信號(hào)。
（2）模擬量輸出
系統(tǒng)提供兩路模擬輸出，模擬量輸出設(shè)定為4～20mA輸出電流和4～20mA輸出頻率。
（3）與操作臺(tái)遠(yuǎn)程控制
上提、下放、安全回路輸入、安全回路輸出、變頻就緒、故障輸出。
 

圖4  變頻器與電控系統(tǒng)連接框圖

6變頻運(yùn)行情況

2016年8月，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始安裝、調(diào)試變頻器。調(diào)試人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況情況：電動(dòng)機(jī)沒(méi)有裝旋轉(zhuǎn)編碼器，把變頻器工作方式設(shè)置為無(wú)旋轉(zhuǎn)編碼器矢量控制工作方式，首先帶空電動(dòng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，然后帶滾筒運(yùn)行情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。為了驗(yàn)證變頻器的輸出力矩，在現(xiàn)場(chǎng)把罐籠裝滿最重的沙石料（超過(guò)額定負(fù)載量）然后把罐籠放在水中，靠水的吸力增大重量。根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，這種情況如果采用串電阻絞車通常會(huì)出現(xiàn)拉不動(dòng)跳高壓情況，就是在負(fù)載稍輕的時(shí)候能夠拉動(dòng)，但是，在罐籠拉出水面瞬間會(huì)出現(xiàn)大幅度的顫動(dòng)現(xiàn)象；現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備就緒后開(kāi)始啟動(dòng)，變頻器運(yùn)行在2.0Hz，輸入電流在23A，輸出電流達(dá)到210A（電動(dòng)機(jī)額定電流144A）的情況下罐籠緩慢的從水中被提上來(lái)，沒(méi)有出現(xiàn)罐籠晃動(dòng)現(xiàn)象；為了驗(yàn)證下放回饋能力，現(xiàn)場(chǎng)把正常工作使用的傘鉆作為重物進(jìn)行試驗(yàn)（傘鉆重量為15噸，是由主提絞車負(fù)責(zé)提升和下放），下放運(yùn)行頻率1.5Hz，輸出電流110A，輸入電流14A，變頻器回饋工作正常。通過(guò)試驗(yàn)，變頻器啟動(dòng)、停止以及調(diào)速過(guò)程中電動(dòng)機(jī)聲音正常，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)。主井副提絞車通過(guò)改造后，實(shí)現(xiàn)了絞車的軟啟動(dòng)、軟停止，由于變頻器運(yùn)行穩(wěn)定使現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效率得到了提高。特別是變頻器采用回饋制動(dòng)工作方式，在提升量基本相同的情況下，通過(guò)與主提絞車相比較變頻運(yùn)行時(shí)節(jié)電量達(dá)20%以上。
7結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)光牌高壓提升機(jī)變頻器既可應(yīng)用于新礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)配套，也適用于老礦井絞車的改造，同時(shí)也適用礦井建設(shè)中。它不僅提高了礦山提升機(jī)控制技術(shù)和裝備水平，實(shí)現(xiàn)了絞車高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動(dòng)，確保了提升機(jī)可靠運(yùn)行，而且節(jié)能效果明顯，是交流提升機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展的方向，應(yīng)用前景廣闊。