摘  要：本文介紹了高壓變頻器在礦山提升機(jī)上的應(yīng)用情況, 對高壓提升變頻調(diào)速系統(tǒng)改造過程及效果作了論述。

關(guān)鍵詞：高壓提升變頻調(diào)速系統(tǒng)  煤礦提升  絞車  改造

1用戶簡介   

      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)，屬國有中型二級企業(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7km，南北寬0.5km，面積3.4889km2，現(xiàn)礦井地質(zhì)儲量3134.1萬噸，可采儲量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)場設(shè)備如圖1所示。

圖1  現(xiàn)場設(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，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。

      針對以上這些問題，煤礦決定對原系統(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用戶現(xiàn)場，最終選用山東新風(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)光電子公司是國內(nèi)最早的從事提升機(jī)變頻器研究的專業(yè)廠家，風(fēng)光牌高壓提升機(jī)變頻器被列入國家火炬計(jì)劃，產(chǎn)品榮獲國家重點(diǎn)新產(chǎn)品、山東省科技進(jìn)步獎，產(chǎn)品被列入國家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄第一批名單，風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器填補(bǔ)了單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器不能四象限運(yùn)行的國內(nèi)空白，產(chǎn)品技術(shù)具國內(nèi)領(lǐng)先水平。

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個功率單元，三相共18個單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分遠(yuǎn)低于國標(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。

圖2高壓提升變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 

圖3功率單元電路結(jié)構(gòu)

      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)到最優(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)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性?？刂破骷案骺刂茊卧逯胁捎孟冗M(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(dú)立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場培訓(xùn)，增強(qiáng)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(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(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，避免對變頻器引入干擾。當(dāng)電機(jī)處于負(fù)力提升時，變頻器實(shí)時檢測進(jìn)行能量回饋電網(wǎng)。

2.2操作臺（雙PLC系統(tǒng)和中間繼電器）

     操作臺上設(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：

圖4 絞車提升系統(tǒng)圖

主要設(shè)備參數(shù)如表1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，采用最先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，加速時可以實(shí)現(xiàn)最大的轉(zhuǎn)矩輸出，加速時間縮小至最短，而減速時，可以控制電機(jī)在四象限運(yùn)行，輸出制動轉(zhuǎn)矩，減速時間縮至最短，同時，將勢能轉(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   主回路改造圖

      圖5中K1、K2、K3為三臺高壓隔離開關(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，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，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和上一級的高壓斷路器也實(shí)現(xiàn)互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線圈，變頻器出現(xiàn)故障時，上一級的高壓斷路器斷開，實(shí)現(xiàn)高壓故障連跳功能。

      (3)接下來進(jìn)行操作臺的固定安裝，連接操作臺與變頻器之間的連線，調(diào)試操作臺與變頻器的信號傳遞，正常后把變頻器和操作臺聯(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。整個改造工程流程如圖6所示：

圖6 改造流程圖

      (4)高壓變頻調(diào)速提升系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)提升絞車的自動運(yùn)行和手動運(yùn)行兩種方式：

      ①自動運(yùn)行方式

 (a) 正轉(zhuǎn)時運(yùn)行速度曲線

(b) 反轉(zhuǎn)時運(yùn)行速度曲線

圖7 自動運(yùn)行方式

      正常工作狀態(tài)下，利用變頻器及操作臺內(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)操作工的勞動強(qiáng)度。自動運(yùn)行速度如圖7所示：

      圖7中，以正轉(zhuǎn)為例，開機(jī)時低速爬行時間t1、收到減速信號后減速動作時間t2、中速運(yùn)行時間t3、停機(jī)前爬行時間t4根據(jù)現(xiàn)場情況可以自由設(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 手動運(yùn)行方式

      手動和自動運(yùn)行方式可在操作臺進(jìn)行選擇，特殊負(fù)載運(yùn)行需要的情況下可用手動方式，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)給出減速信號后，為保證整個系統(tǒng)安全，變頻器仍然會啟動機(jī)內(nèi)自動減速程序。

3.4變頻器與主控臺的接口

變頻器與主控臺的接口主要如下：
     變頻器接受主控臺的正轉(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的信號有：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，主控臺通過檢測電機(jī)的待機(jī)信號，判斷變頻器已經(jīng)可以運(yùn)行，主控臺在自動模式下，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

      變頻器的加減速時間設(shè)置很重要，其設(shè)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(yīng)功能，加減速時間盡量短，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的加速時間設(shè)置為11s，從50Hz至0Hz的減速時間設(shè)置為7s，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行，完全滿足現(xiàn)場運(yùn)行要求。

4.現(xiàn)場應(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)了電動機(jī)的真正軟啟動，縮短了提升時間，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)場運(yùn)行圖

      絞車改造后，整個變頻提升系統(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)的軟起動和軟停止，使運(yùn)行更加平穩(wěn)，機(jī)械沖擊小。

      (3)啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大啟動電流不超過1.3倍的額定電流，提升機(jī)在重載下從低速平穩(wěn)無級平滑地升至最高速，也沒有大電流出現(xiàn)，大大地減小了對電網(wǎng)的沖擊。

      (4)增加了直流制動功能，使重車停車時更加平穩(wěn)。

      (5) 節(jié)能效果顯著。據(jù)實(shí)測，在低速段節(jié)能明顯，一般可達(dá)到20%左右。采用回饋制動，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)，包括制動閘信號與正、反轉(zhuǎn)信號的連鎖，變頻器故障信號與系統(tǒng)安全回路的連鎖，機(jī)內(nèi)備有自動減速程序等。對提升機(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，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。