摘要：隨著煤礦企業(yè)不斷的集中化、規(guī)模化，企業(yè)對(duì)產(chǎn)量的要求也逐漸引起重視。提升產(chǎn)量需要保證整個(gè)提升系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中必須安全、可靠、高效率的運(yùn)行。本文主要介紹大功率水冷型高壓同步速度矢量變頻器雙機(jī)聯(lián)動(dòng)直驅(qū)在主井提升機(jī)上的應(yīng)用。

1引言

在煤礦生產(chǎn)中，礦井提升機(jī)起著非常重要的作用，它是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。目前在礦井提升系統(tǒng)中采用高壓變頻器進(jìn)行傳動(dòng)已成為主流，高壓變頻器在應(yīng)用中帶來(lái)的系統(tǒng)安全，設(shè)備穩(wěn)定性的應(yīng)用問(wèn)題更加引起重視。高壓變頻器在實(shí)際應(yīng)用中，除了要解決好變頻器的系統(tǒng)穩(wěn)定性，還要解決好變頻器本體的散熱問(wèn)題，這是保障變頻器安全運(yùn)行的重要部分。

目前國(guó)內(nèi)高壓變頻器還是以風(fēng)冷為主要散熱方式。隨著變頻器功率的增大，風(fēng)冷散熱方式已經(jīng)滿足不了變頻器自身散熱的需求，而解決大功率變頻器散熱的問(wèn)題，水冷散熱是目前最好的散熱方式。下文主要介紹合康變頻水冷型高壓變頻器雙機(jī)聯(lián)動(dòng)直驅(qū)在內(nèi)蒙古伊化礦業(yè)有限公司主井運(yùn)行的情況。

2高壓變頻器簡(jiǎn)介

HIVERT-T-VF系列高壓變頻器是合康變頻自主研發(fā)和生產(chǎn)的專(zhuān)業(yè)高性能傳動(dòng)裝置。

變頻器采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。6kV系列每相6個(gè)單元，下圖為6kV變頻器系列的主回路示意圖

變頻器矢量控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

變頻器采用矢量控制技術(shù)。矢量控制技術(shù)具有更好的運(yùn)行特性，數(shù)字化控制，為系統(tǒng)帶來(lái)更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、更高的控制精度、更高的可靠性，同時(shí)也提升整體效率。

矢量控制原理拓?fù)鋱D

功率單元采用IGBT進(jìn)行同步整流。功率單元具有100%能量回饋能力。

功率單元主電路

功率單元采用水循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱，水循環(huán)系統(tǒng)分為內(nèi)水循環(huán)和外水循環(huán)。水通過(guò)管道進(jìn)入水冷板，將IGBT等功率元件的發(fā)熱傳遞給水后，由水帶走，進(jìn)入板式換熱器，板式換熱器通過(guò)和外循環(huán)水換熱，熱量由外循環(huán)水帶走，為防止外部環(huán)境溫度引起變頻器內(nèi)部有凝露現(xiàn)象產(chǎn)生，在水冷管道內(nèi)加入加熱裝置。變頻器外部水溫低于25℃時(shí)，水冷系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)加熱器，同時(shí)將散熱外水通過(guò)旁路管道直接回流，當(dāng)水溫高于25℃時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉加熱器，根據(jù)溫度的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)外水通過(guò)散熱板的流量，讓外循環(huán)水帶走內(nèi)循環(huán)水的熱量。

功率單元水循環(huán)示意圖

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

內(nèi)蒙古伊化礦業(yè)資源有限公司坐落于鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮(zhèn)呼吉爾特鄉(xiāng)呼吉爾特礦區(qū)東南部。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10.0Mt/a，一期工程開(kāi)鑿一號(hào)主立井，生產(chǎn)能力6.00Mt/a；二期工程生產(chǎn)能力達(dá)到10.00Mt/a，增加二號(hào)主立井。礦井最大提升速度13.00m/s，加、減速度a＝0.7m/s2,提升重量45t。

該礦井選用交流變頻同步電動(dòng)機(jī)兩臺(tái)，雙機(jī)拖動(dòng)。每臺(tái)電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)參數(shù)表

主立井主電動(dòng)機(jī)參數(shù)表

針對(duì)該礦井設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，我公司選用兩臺(tái)型號(hào)為HIVERT-TVF10-06/550水冷型高壓變頻器，該變頻器額定容量為8000KVA，適配3300KW電機(jī)。

現(xiàn)場(chǎng)采用兩臺(tái)獨(dú)立的變頻器分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)同步電機(jī)，兩臺(tái)電機(jī)共同直驅(qū)一個(gè)滾筒，相當(dāng)于提升機(jī)功率提高一倍。兩臺(tái)變頻器之間光纖通訊，光纖通訊不受外界干擾，通訊速度高，能更好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制，達(dá)到功率平衡。

在系統(tǒng)待機(jī)的情況下，兩臺(tái)變頻器可以進(jìn)行主、從控制交替變換，即可以將主變頻器驅(qū)動(dòng)改為從變頻器驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也可以將從機(jī)驅(qū)動(dòng)改為主機(jī)驅(qū)動(dòng)。雙電機(jī)聯(lián)動(dòng)直驅(qū)提升系統(tǒng)的好處在于：當(dāng)一臺(tái)變頻器或電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)變頻器仍可以全載半速運(yùn)行，為煤礦的不間斷生產(chǎn)提供保障。(如下圖)

提升機(jī)系統(tǒng)圖

變頻器內(nèi)部最大的熱量來(lái)源是功率單元部分，功率單元內(nèi)部使用大量的電子元器件，而影響電子元器件使用性方面，散熱是重要一環(huán)。大功率元器件在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大熱量，將導(dǎo)致芯片溫度的升高，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)纳岽胧?，就可能使芯片溫度超過(guò)最高允許溫度值，從而導(dǎo)致器件性能的惡化以致?lián)p壞。所以選擇適當(dāng)?shù)纳岱绞剑⑦M(jìn)行合理設(shè)計(jì)，是使器件的潛力得到充分發(fā)揮。

現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)建筑為井塔式，井塔結(jié)構(gòu)相對(duì)封閉，變頻器設(shè)備放置在八樓九樓變頻器室，空間相對(duì)緊湊。現(xiàn)場(chǎng)為主井，主井主要負(fù)責(zé)提升煤，粉塵污染比較嚴(yán)重。

采用風(fēng)冷卻對(duì)變頻器進(jìn)行降溫，對(duì)變頻室要求比較高。變頻器室須有進(jìn)風(fēng)口以及出風(fēng)口，變頻器從進(jìn)風(fēng)口吸進(jìn)溫度較低的氣流，經(jīng)過(guò)變頻器內(nèi)部，經(jīng)渦流風(fēng)機(jī)排除。在此過(guò)程中吸進(jìn)的空氣中會(huì)帶有部分粉塵，粉塵進(jìn)入變頻器會(huì)對(duì)變頻器造成污染甚至造成變頻器故障，在出風(fēng)口處溫度會(huì)升高，容易對(duì)渦流風(fēng)機(jī)造成傷害。室內(nèi)溫度不能高于40度，否則容易造成變頻器功率單元超溫跳閘。（如下圖）

風(fēng)冷循環(huán)示意圖

水循環(huán)分為內(nèi)水循環(huán)和外水循環(huán)（如下圖）

水循環(huán)系統(tǒng)圖

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖

內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)功率單元IGBT等器件直接安裝在水冷散熱板上，產(chǎn)生的熱量由內(nèi)循環(huán)水帶走，進(jìn)入板式換熱器，板式換熱器通過(guò)和外循環(huán)水換熱，把熱量由外循環(huán)水帶走，冷水進(jìn)入單元水冷板繼續(xù)循環(huán)。

外水循環(huán)系統(tǒng)將內(nèi)水板式換熱器熱量帶走，經(jīng)過(guò)外水板式換熱器通過(guò)風(fēng)機(jī)冷卻，再將冷水通過(guò)調(diào)節(jié)閥送回內(nèi)水循環(huán)系統(tǒng)，從而達(dá)到對(duì)功率單元進(jìn)行降溫。

冷卻系統(tǒng)雙泵互為備用，防止單泵故障引起系統(tǒng)停機(jī)；去離子水離子濃度檢測(cè)功能，離子超標(biāo)報(bào)警；冷卻系統(tǒng)壓力檢測(cè)，超標(biāo)報(bào)警；冷卻系統(tǒng)溫度檢測(cè)，超標(biāo)報(bào)警。

水循環(huán)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行顯示參數(shù)如圖

內(nèi)水循環(huán)

外水循環(huán)

現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)變頻器由一臺(tái)控制系統(tǒng)通過(guò)PLC進(jìn)行控制，聽(tīng)從控制系統(tǒng)的指令來(lái)完成啟動(dòng)、停止、加速、減速等工況。（如下圖）

控制系統(tǒng)圖

運(yùn)行取線圖

由上圖可以看出兩電機(jī)運(yùn)行電流曲線擬合在一起，在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，兩電機(jī)電流相等，輸出力矩一致。運(yùn)行周期曲線中加速段，恒速段，減速段兩電機(jī)電流曲線變化相同，即兩變頻器運(yùn)行輸出電流相等。提升負(fù)載整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，兩電機(jī)恒磁，兩同步電機(jī)運(yùn)行電流、電壓、勵(lì)磁電流相等，從而保證兩電機(jī)輸出力矩功率平衡。

目前我公司HIVERT-TVF10-06/550水冷型高壓變頻器，在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行，公司采用水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，體積小，冷卻效率高，并且采用水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，變頻器維護(hù)簡(jiǎn)單、維護(hù)量少、周邊環(huán)境對(duì)變頻器影響小，在實(shí)際應(yīng)用中所表現(xiàn)出優(yōu)異的性能、高可靠的穩(wěn)定性。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，此次大功率水冷高壓變頻器的方案在內(nèi)蒙古伊化礦業(yè)成功運(yùn)行，滿足了生產(chǎn)工藝的特殊要求，為高壓變頻器在新的應(yīng)用領(lǐng)域又邁進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步。該項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、原理、實(shí)驗(yàn)等方面在現(xiàn)場(chǎng)得到充分驗(yàn)證，在合康變頻未來(lái)的發(fā)展中具有重要意義。