顾桥矿主井提升机变频调速系统的研究

摘 要:矿井提升机是煤矿的大型固定设备之一,担负着矸石、材料、机电设备和人员的提升,针对以往调速方式的不足,本文采用交-交变频电控调速技术来改善提升机的工作效率,交-交变频(Sinamics SL150)器具有输出电压的频率、幅值、相位及功率因素稳定,谐波较小等优点被广泛应用于煤矿行业。顾桥矿实测结果表明,交-交变频调速系统运行稳定,提高了提升机的工作效率,对煤矿安全生产具有重大意义。

关键词:矿井提升机 串阻调速 交-交变频电控调速 电控调速 交-交变频器

中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)10(c)-0106-02

随着我国工业的不断发展,对矿产资源需求量的不断加大,矿产资源开采一直是我国煤矿行业的头等大事。矿井提升机系统在整个煤矿开采过程中担负着举足轻重的作用。提升机系统传统的调速方法不足,输出电压和功率较低,系统稳定性差,严重制约着煤矿资源的开采量,不利于整个行业的发展目标。随着交-交变频调速技术在提升机系统中的应用,凭借着高电压、大功率变频输出,电机驱动能力强、运转快,系统性能稳定等优势得到了煤矿行业的广泛关注。

1 AC-AC变频调速技术

1.1 变频器

1.1.1变频器的工作原理

变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压频率的交流电的变换器,是异步电机变频调速的控制装置。交-交变频器没有直流变换环节,只有两个交流环节之间的转换过程。通过把一种频率的交流电转换成另一种频率的交流电。

1.1.2 交-交变频器

交-交变频器主要由3台电网自然换流、无环流可逆变流器组成,对应同步电机定子的三相,每相连接成三相桥式电路。三相变流器由整流变压器供电,两套变频器由分别为Δ/X、Δ/Y接法的整流变压器供电,以减少供电高次谐波。AC-AC变频器具有高效率、大电流等优点非常适用于低速、大功率、大转矩、高动态响应、高过载能力的环境。AC-AC变频器的基本结构如图1所示。

电机的定子绕组每相对应一套反并联可控硅桥,最大输出频率约为电网侧频率的45%左右,采用无熔丝设计方法,效率高达99.3%,在紧急情况下12脉冲可以切换成6脉冲AC-AC变频器,使的整个变频系统变得灵活、稳定。

1.2 AC-AC变频调速技术的基本原理

1.2.1 变频调速的理论概述

变频器的功用是将频率固定的(通常为50 Hz的)交流电变成频率联系可调的三相交流电。由公式:,当频率连续可调时(一般为定数),电动机的同步转速也连续可调,又因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低一些,所以,当同步转速连续可调时,异步电动机转子的转速也是连续可调的。变频器通过改变电动机工作电源的输入频率(电流的频率)来改变电动机转速,从而实现变频调速。

1.2.2 AC-AC变频调速的原理概述

三相异步电动机的转速公式为,调速方式可有四种方式。交-交变频电路的基本原理图如图2所示。

2 主井提升机交-交变频调速系统的设计

2.1 交-交变频器Sinzmics SL150控制系统的结构

Sinzmics SL150控制系统的结构主要包括:CPU模块、控制器模块、I/O模块、断路保护模块、辅助设备模块以及控制面板。系统CPU(D445)利用软件可编程方式可以同时在线对通信系统、故障分析系统、画面显示系统进行操作。其中变频控制器负责控制系统电路的相电流、电机转速以及热电压转换器(TVC)。交-交变频器控制系统原理结构图如图3所示。

通过系统外扩的I/O模块,可对电机的转子运行情况进行信号采集检测,同步电压信号以及数字变化量都是由该模块负责接收传送和结果输出控制。如果电路中的工作电压超过额定电压值,该系统采用高压断路器负责控制和保护系统输出电压。系统的辅助设备是由12/6脉冲转换部分和功率因素补偿两部分组成。功率因素补偿部分,对于电机功率达不到额定工作功率的时候,可以采取无功补偿的方式减少谐波和无功功率的损耗。对12/6脉冲转换部分,一旦高压短路,变压器或变频器一路发生故障时,电机和变频器可以由12脉冲工作模式转换成6脉冲的紧急模式。对有故障的变频器进行断电分离,并联的两套电机绕组切换成串联连接,提升机处于全载半速运行状态。

2.2 6脉冲交-交变频控制方法

针对顾桥矿主井提升机的具体情况,采用ABB公司的ACS6000C进口全数字矢量控制系统,交-交变频选用6脉冲,逻辑无环流可逆变流器,变频器分别由3台整流变压器供电。系统电源选用10 kV、50 Hz三相交流电作为主电源供电。主回路采用电枢换向的直流电动机拖动,电枢回路是由两个反向并联晶闸管整流器直流供电,将10 kV的交流电压通过4路变压器转换成满足系统需要的直流电压,通过高压断路器控制系统电压,为同步电动机提供合适的工作电流和电压。顾桥矿主井提升机变频调速系统结构图如图4所示。

3 系统运行结果分析

结合交-交变频调速在顾桥矿主井提升机电机传动系统中的应用,通过西门子SIMATIC WinCC5.0制作软件可以监控整个系统的工作状态。从主提升机画面中可以清楚地看到系统各个工作模块的运行状态,安全回路状态、停车回路状态、闭锁回路状态、PLC主副箕斗位置、油压、提升速度、定子的电流电压、励磁电流、井筒开关的选择以及装卸载打点信号（见图4）。

4 结论

本文针对传统煤矿主井提升机系统的不足,提出了主井提升机交-交变频调速电控系统的新方法,结合顾桥矿主井提升机变频系统的实际应用等方面详细地论述了新方法的优越性。实测结果表明交-交变频调速系统性能稳定,大大增加了提升机的工作量,对矿产资源的开采做出了重要贡献。

参考文献

[1] 西门子工业自动化项目设计实践[M].北京:机械工业出版社.

[2] 自动控制原理[M].广州:华南理工大学出版社.

[3] 矿井提升机故障处理和技术改造[M].北京:机械工业出版社.

[4] 通用变频器选型与维修技术[M].北京:中国电力出版.