高压变频器在煤矿主井提升机改造中的应用

1、引言

随着电力电子技术的飞速发展,高、低压变频调速技术已发展成一种成熟稳定的技术,在各个生产环节,交流电机变频调速系统以其体积小、低维护量、优异的调速性能等诸多优点在逐步替代传统的直流调速系统,现已经成为电机驱动的发展趋势,成为电机节能高效运行的有效手段。

煤矿地面的大动力设备主要包括:主井提升机(或主运输皮带机)、副井提升机、主通风机、压风机等高压大功率用电设备。因此,电机的节能经济运行应从高压大功率设备的变频改造着手进行。尤其煤矿的立井主提升机因其每天约20多小时连续运行是煤矿生产中的主要耗能设备,对其进行变频改造、节能经济运行尤为必要。

2、主井提升机的技术参数和调速现状

目前,国内还有很多矿井的主井提升机采用交流异步电动机的转子串电阻方式进行工作。起主井提升系统主要包含异步电动机、电控、调速电阻、辊筒、箕斗、钢绳等组成。以下就以某煤矿主井提升机改造项目为例,对主井提升机改造进行探讨和研究。

某煤矿主立井提升机目前的调速方式为转子串电阻调速,采用接触器控制电阻的投切,加速时间长达约20秒左右;减速爬行至停车时间长达29秒左右,加速时电机电流持续接近100A耗能严重。且起动时电机的冲击电流大大超过电机额定电流。因此,在2008年对该主井提升机进行了变频改造。

2.1 主立井提升机参数

目前,主立井提升系统是双钩8.8吨箕斗缠绕式提升机,其调速系统是交流6kV/630kW双机驱动的绕线电机串电阻调速系统。

2.2 串电阻调速方式存在的固有缺陷和问题

1)转子回路串接电阻,消耗电能造成巨大的能源浪费;

2)电阻只能分级切换,实现的是有级调速,设备运行不平稳易引起电气及机械冲击;对电机轴承、钢丝绳、减速器齿轮等造成巨大冲击,威胁系统的机械安全;

3)低速转矩小,转差功率大,启动电流和换档电流冲击大;

4)中高速运行振动大;制动不安全不可靠;

5)司机的开车熟练程度和责任心完全影响提升时间、电机电流,尤其夜班司机易疲倦,存在安全隐患;

6)线绕电机转子因为工作温度高容易开焊,滑环存在接触不良问题,容易引起设备故障;

7)设备维护工作量大、维护费用高;

8)2台电机分别串接三相转子电阻体积庞大,发热严重使工作环境恶化,夏季使环境温度高达60℃以上,导致工作环境恶劣;

9)电机的功率因数低,无功损耗较大。

3、主井提升机的变频改造

3.1变频工作,老系统备用

采用1套荣信电力电子股份有限公司生产制造的规格型号为RHVC―A06/1600―TR的高压变频装置和PLC电控系统对现有老系统进行改造,此变频系统是提升机专用的矢量控制四象限H桥串联多电平技术的高压变频调速装置;因老系统目前尚可以使用故不拆除而作为备用系统保留。

3.2工频手动切换

系统配置了手动工频旁路。

在变频系统需要维护或故障时切换柜能实现工频旁路,旁路后改为原来的转子串电阻调速系统。手动切换控制如下图所示:变频工作时首先分断进线电源开关K1使系统断电,再将K11、K12闭合,K13断开,此时转子绕组三相通过一个刀开关短接;若需切换至工频时,在K1分断使系统断电的情况下将K11、K12分闸,K13闭合,同时分断短接转子的开关。在设计时K11、K12和K13进行了机械互锁。

而且工艺电控系统也改造为高可靠性的PLC电控系统,由此PLC电控系统完成与老系统的切换控制。

4、高压变频原理

RHVC系列高压变频调速系统作为一种高新技术节能产品,采用目前国际上先进的IGBT功率单元串联多电平技术、数字控制技术、SPWM脉宽调制技术。具有高效节能、高功率因数、高可靠性等特点。

图2功率单元

每相由5个功率单元串联成为一相,三相Y接输出。逆变器输出采用每相5个功率单元输出的SPWM波相叠加,形成高质量的正弦波输出,供给电动机,来驱动风机。

主控柜和功率柜之间采用光纤隔离技术,防止了电磁干扰,做到了高压与低压的完全隔离,具有极高的安全性。

高压变频的系统拓扑图(如图3)所示

图3系统原理拓扑图

5、提升机变频改造的收益

主立井提升机机高压变频改造后除给用户带来直接的大幅度降低提升用电的电能消耗,获得直接的节能收益外,还带给用户其他多方面的综合效益。

5.1 直接节能效果

改造前吨煤电耗

此主井2007年全年的提升耗电为440万度,产量为220万吨。

所以其吨煤电耗为440万度/220万吨=2度/吨

改造后吨煤电耗

经省节能监测中心检测,其煤电耗为1.6度/吨。

节能率为:(2-1.6)/2=20%

5.2.提高产量

主井提升距离为374.4米,最大提升速度7.5m/s,箕斗载重8.8吨。变频改造后的提升速度图如下示。

按照国家《煤矿安全规程》规定,高压变频改造后提升速度图按系统设计满足设计能力的加、减速度的运行,一次提升时间核算如下:

采用高压变频控制系统改造后, 提升机运行时间计算结果为:

改造后,提升过程总时间为: 69.60s

目前装卸载时间为6-10s, 所以一个提升循环总时间为:79.60s, 估算为83s.

如提升机运行按一天工作22小时, 每年运行11个月,每斗煤按8吨计算, 得到综合计算:

每年的产量计算为:

(3600/83)*22*30*11*8(吨/斗)=252万吨

[注:原系统的产量220万吨]

6、结论

经过变频技术改造后主井提升机运行良好,主井提升的吨煤能耗下降20%,增加了矿井的提升能力,同时提高了电网的功率因数。事实证明高压变频器有着无法比拟的优越的产品性能和无法超越的技术领先优势;在煤炭行业的节能改造中应用能够创造巨大的经济效益和良好的社会效益,对于创建节能环保型的社会发挥着重要的作用。