四象限高壓變頻器在鐵礦提升機(jī)上的應(yīng)用

1 概述

山東金嶺鐵礦始建于1948 年，是山東省開采歷史最悠久的黑色多金屬礦山，金嶺鐵礦資源豐富，目前保有地質(zhì)儲量6 000余萬t;正在準(zhǔn)備開發(fā)建設(shè)的王旺莊礦區(qū)儲量5 300萬t。以盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高爐富鐵礦和伴生銅、鈷、金、銀等享譽(yù)中外。經(jīng)過幾十年的建設(shè)和發(fā)展，已成為采選、燒結(jié)、煉鐵、生活服務(wù)、文教衛(wèi)生自成體系的綜合性大型國有企業(yè)。該礦副井(直井)提升絞車采用線繞式異步電動機(jī)，用轉(zhuǎn)子串電阻的方法調(diào)速。這種系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，低速轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)差功率大，啟動電流和換擋電流沖擊大，加之該提升系統(tǒng)還擔(dān)負(fù)著人員、材料等提升任務(wù)，提升重量每鉤都有可能改變，造成了提升系統(tǒng)在調(diào)速控制階段速度控制較為困難，而且此井還有一個特點(diǎn)就是偏口特別多，井深只有400 m，井口1個，偏口分布為160 m處1個，220 m處1個，247 m處1個，280 m

處1個，340 m處1個。可以看出兩個偏口間的距離是很近的，很多情況下是還沒有加到全速就得停車，大量電能消耗在電阻上，而且停車位置不能很準(zhǔn)確地定位。為改善提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和提高控制精度的目的，該企業(yè)決定采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-315T四象限高壓變頻器對絞車的拖動系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。

原礦山提升機(jī)絞車電機(jī)有關(guān)參數(shù)：

型號JR157-10;

功率260 kW;

電流33.5 A/403 A;

電壓6 000 V/415 V。

2 對高壓變頻器主要的技術(shù)要求

礦山提升機(jī)是鐵礦等礦山企業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，一旦提升機(jī)不能正常工作，將使全礦停產(chǎn)，而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此要求高壓變頻器具有極高的可靠性。由于提升機(jī)類負(fù)載對變頻器有著不少特殊的要求，所以一般普通高壓變頻器不可能直接用到提升機(jī)上。總的來說，提升機(jī)對變頻器的主要要求如下：

1)要求可靠性高;

2)要求能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，解決能量回饋;

3)要求有完善的數(shù)字控制功能;

4)技術(shù)指標(biāo)要求高(例如啟動轉(zhuǎn)矩2倍以上，150%額定電流以下連續(xù)運(yùn)行，180%額定電流運(yùn)行1 min保護(hù));

5)要求適應(yīng)惡劣的使用環(huán)境;

6)運(yùn)行速度曲線成S形，加減速平滑;

7)啟動力矩、低頻力矩、加速力矩、制動力矩有嚴(yán)格要求。

我公司依靠在低壓提升機(jī)變頻器和高壓變頻器開發(fā)中積累的經(jīng)驗(yàn)，不斷地進(jìn)行技術(shù)革新，成功地開發(fā)了單元串聯(lián)式高壓提升機(jī)專用變頻器，填補(bǔ)了國內(nèi)高壓變頻器在提升機(jī)應(yīng)用上的空白，產(chǎn)品已申請國家專利，產(chǎn)品國家專利號為ZL200320121533.2。

3 JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速器

根據(jù)與用戶的協(xié)議，我公司為該提升機(jī)絞車配備了JD-BP37-315T高壓提升變頻調(diào)速器。

3.1 JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速器簡介

該變頻調(diào)速器選用最新型IGBT為主控器件，采用全數(shù)字化，彩色液晶觸摸屏控制，是以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速器;采用先進(jìn)的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的四象限運(yùn)行，完成對鼠籠式電機(jī)或繞線式電機(jī)的控制，既可用于新建礦井，也可用于老礦井改造。

JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成，所用的6 kV 高壓提升變頻器，變壓器有18 組二次繞組，分為6 個功率單元/相，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1所示。

用全數(shù)字化，彩色液晶觸摸屏控制，是以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速器;采用先進(jìn)的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的四象限運(yùn)行，完成對鼠籠式電機(jī)或繞線式電機(jī)的控制，既可用于新建礦井，也可用于老礦井改造。

JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成，所用的6 kV 高壓提升變頻器，變壓器有18 組二次繞組，分為6 個功率單元/相，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1所示。

3.2 功率單元電路

每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其主電路如圖2示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為交—直—交雙向逆變電路。通過三相二極管整流橋整流，經(jīng)濾波后建立起母線電壓。當(dāng)能量由電網(wǎng)流向負(fù)載時，逆變塊A被封閉，逆變塊B 實(shí)現(xiàn)正弦PWM單相逆變。當(dāng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，逆變塊B中IGBT的體二極管又起全波整流作用，將再生能量轉(zhuǎn)移到濾波電容中，使母線電

壓升高，當(dāng)達(dá)到一定值后，啟動逆變塊A，進(jìn)行SPWM逆變，通過輸入電感，返回到移相變壓器的二次側(cè)，將再生能量回饋到電網(wǎng)。由于提升機(jī)變頻器的應(yīng)用狀況比較惡劣，頻繁啟停而且能量回饋，使儲能電容承受很大的沖擊電流，此電容原為極性介質(zhì)電容，抗沖擊電流的能力差，影響了使用壽命，因此更換為無極性電力電容，這種電容的優(yōu)點(diǎn)就是抗沖擊電流大，溫升低，壽命長，只是成本高，但為了提高設(shè)備的可靠性，增加成本還是值得的。

3.3 輸入側(cè)結(jié)構(gòu)

輸入側(cè)由移相變壓器給每個功率單元供電，每個功率單元承受電機(jī)電流、1/6 的相電壓、1/18 的輸出功率。18個單元在變壓器上都有自己獨(dú)立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實(shí)現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。

3.4 輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

輸出側(cè)每相由6個功率單元的U、V輸出端子串聯(lián)后再接成星型接法給電機(jī)供電，通過對每個單元的PWM 波形進(jìn)行重組，可得到如圖3所示的階梯PWM 波形。這種波形正弦度好，可減少對電纜和電機(jī)的絕緣損壞，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造;同時，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動，減小了軸承的機(jī)械內(nèi)應(yīng)力和電疲勞現(xiàn)象。

3.5 控制器

控制器核心由高速DSP和工控PC機(jī)協(xié)同運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。工控機(jī)提供友好的全中文Windows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。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。[!--empirenews.page--]

3.6 JD-BP37-315T主要性能指標(biāo)

變頻器功率315 kW

額定輸出電流37.8 A

輸入頻率50 依5 Hz

額定輸入電壓6 kV

允許電壓波動原20%耀垣15%

輸入功率因數(shù)逸0.96

輸出頻率范圍0~50 Hz

輸出電壓范圍0~6 kV

頻率分辨率0.01 Hz

加速時間可由用戶生產(chǎn)工藝設(shè)定

減速時間可由用戶生產(chǎn)工藝設(shè)定

變頻器效率逸96%

過載能力150%以下和180%連續(xù)運(yùn)

行1 min，200%允許1.5 s

防護(hù)等級IP20

4 基本控制功能

4.1 運(yùn)行速度的控制

因不同的頻率，對應(yīng)不同的加減速速率，為了減少運(yùn)行過程中的機(jī)械沖擊，在提升機(jī)啟動和停止過程中，做到加速度連續(xù)，在本裝置的控制中，將不同頻率時的加減速速率規(guī)劃成一個表格，運(yùn)行中用查表的方法確定對應(yīng)頻率時的加減速速率，使提升機(jī)平滑運(yùn)行，減少機(jī)械沖擊。

4.2 自動減速功能

在運(yùn)行到終點(diǎn)時，由減速開關(guān)給出減速信號，PLC檢測到減速信號后發(fā)送給控制器，由控制器啟動自動減速程序，使工作頻率按設(shè)定要求逐步變?yōu)榈退龠\(yùn)行。這對于多偏口的礦井來講是很有好處的，不須人工控制速度，不會因?yàn)椴僮鞣矫娴脑蚴固嵘龣C(jī)偏離偏口。

4.3 再生能量處理

再生能量通過功率單元來處理，如圖4所示。

電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，功率單元直流母線電壓Vbus升高，當(dāng)母線電壓超過電網(wǎng)電壓的1.1倍時，CPU根據(jù)比較器和相位檢測的結(jié)果輸出6 路SPWM 波形，使逆變塊A中的IGBT工作，電動機(jī)的再生能量通過輸入電感和移相變壓器回饋到電網(wǎng)。

5 變頻調(diào)速系統(tǒng)對原調(diào)速系統(tǒng)的改造

為了確保安全可靠，讓變頻調(diào)速系統(tǒng)與原調(diào)速系統(tǒng)并存，互為備用，隨時可以切換。為了讓操作者不改變操作習(xí)慣，電控操作系統(tǒng)還是采用原老式操作系統(tǒng)，工、變頻系統(tǒng)都用原操作機(jī)構(gòu)操作，如圖5所示。

5.1 主回路改造

主回路改造如圖6所示。

圖6中虛線框內(nèi)為工、變頻切換柜。柜內(nèi)兩路輸入，一路輸出，隔離刀閘K3為變頻器輸出，直接接電機(jī)，隔離刀閘K2為工頻輸出，K1為變頻器輸入。K1、K3與K2互鎖;K4為單刀雙擲開關(guān)，用變頻時需打到變頻一側(cè)將電機(jī)轉(zhuǎn)子短接;用工頻時，需打到工頻一側(cè)，將轉(zhuǎn)子串入電阻。轉(zhuǎn)換極為方便，新老系統(tǒng)互為備用，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5.2 控制回路改造

由于原電控操作柜未做改造，因此變頻器做了一套遠(yuǎn)控裝置用做工、變頻控制回路的切換裝置。遠(yuǎn)控裝置內(nèi)用7個雙刀雙擲開關(guān)作為正、反轉(zhuǎn)和五段速的切換部件，其原理如圖7所示。

圖7中，虛線方框內(nèi)表示的是一個雙刀雙擲開關(guān)，LK3、LK4 分別表示主令控制器的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)觸頭，LK5、LK6、LK7、LK9、LK11分別表示主令控制器的5個擋位觸頭。

所有控制開關(guān)切換至變頻位置時，7組變頻器控制線與主令控制器對應(yīng)觸頭接通，相應(yīng)工頻控制線與主令控制器對應(yīng)觸頭斷開，系統(tǒng)切換到變頻調(diào)速狀態(tài);所有控制開關(guān)切換至工頻位置時，7組工頻控制線與主令控制器對應(yīng)觸頭接通，相應(yīng)變頻器控制線與主令控制器對應(yīng)觸頭斷開，系統(tǒng)切換到原工頻

調(diào)速狀態(tài)。

6 現(xiàn)場應(yīng)用情況及運(yùn)行效果

設(shè)備改造工程于2007 年2 月一次調(diào)試成功并通過驗(yàn)收。經(jīng)過近半年的平穩(wěn)運(yùn)行表明，改造達(dá)到了預(yù)期目的，用戶反映良好。使用變頻器后電控系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)變頻系統(tǒng)無須用原電控調(diào)速的交流接觸器及調(diào)速電阻，節(jié)約了電能，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境，使噪音及室溫降低;

2)調(diào)速方便，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，提高了控制精度;

3)實(shí)現(xiàn)了低頻低壓的軟啟動和軟停止，使運(yùn)行更加平穩(wěn)，機(jī)械沖擊小;

4)啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大電流不超過額定電流的1.3倍，提升機(jī)在重載下從低速平穩(wěn)、無級平滑地升至高速，沒有大電流出現(xiàn)，減小了對電網(wǎng)的沖擊;

5)采用回饋制動技術(shù)，成功地解決了位能負(fù)載的再生發(fā)電能量處理問題，保證了變頻器的安全運(yùn)行;

6)節(jié)能效果顯著，據(jù)實(shí)測可達(dá)到30%以上;

7)彩色觸摸屏控制，所有參數(shù)均可通過觸摸屏設(shè)定，操作方便。

7 結(jié)語

礦山提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有控制性能優(yōu)良、操作簡便、運(yùn)行效率高、維護(hù)工作量小等諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟與節(jié)約能源的要求，它正成為礦山提升機(jī)傳動控制的發(fā)展方向。