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汇川技术HD92四象限变频器在矿井提升机上的应用5


汇川技术 HD92 四象限高压变频器在矿井提升机的应用
(苏州市汇川技术有限公司, 应用领域:矿山) 关键词:矿井提升机、HD92、三电平、四象限、能量回馈。 摘要:14 年 4 月,汇川技术 1 台 HD92 四象限高压变频器成功应用于贵州某煤矿矿井提升机 上。该产品有效地解决了使用交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统时,提升机减速和爬 行阶段的速度控制性能差、严重耗

能等问题,为用户提高生产效率的同时,实现了双重节能 效果,并有效利用能源。

一、设备工况
矿井提升机,也称矿井卷扬机、绞车,是指安装在地面、借助于钢丝绳带动提升容器沿 井筒或斜坡道运行的一种大型提升机械设备,是井上和井下的唯一输送通道。它是由电动机 带动机械设备,以带动钢丝绳从而带动容器在井筒中升降,完成输送任务。矿井提升机是由 原始的提水工具逐步发展演变而来。现代的矿井提升机提升量大,速度高,安全性高,已发 展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械[1]。 此提升机变频改造项目中,之前采用转子串电阻的调速方式,在使用过程中存在诸多安全 隐患,为提高系统的安全性,在我司的建议下,客户最终决定采购一整套变频电控系统,将 之前的调速系统彻底替换掉。

图1

提升机现场图

系统相关参数:
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绞车参数 主井/副井 倾角 提升机型号 卷筒直径 钢丝绳最大直径 副井 15 度 JK-2.0x1.8P 2.0 m 26 mm 直井/斜井 长度 卷筒数量 卷筒宽度 最大静张力 电机参数 同/异步机 电机额定功率 电机额定电流 额定转速 异步机 220 kW 18.2A 7405r/min 电机接法 电机额定电压 电机额定频率 功率因数 Y 10KV 5~50Hz 0.76 斜井 1km 1个 1.8 m 61 kN

根据电机额定功率,综合考虑电动机功率因数偏低、使用现场 1000m 海拔等多方面因素, 汇川技术选用 HD92 四象限高压变频器,经实践验证,完全满足现场使用要求。

二、提升机工艺要求
提升机的过程是提升容器在井筒中周期往返运动,通常以提升容器的运动速度与时间的 关系来表示其运动规律,称为速度图,我们常用的提升系统的速度图,包括五个阶段,一般 称为五阶段速度图。即:加速阶段、等速阶段、减速阶段、爬行阶段、制动阶段。提升机电 气传动系统速度曲线如下图所示:

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图2

提升机运行速度曲线图

速度曲线图表达了提升容器在一个提升循环内的运动规律,现简述如下: 1)加速阶段 t1:当斗车离开井底时,以加速度 a1 进行加速,直至到达最大提升速度 Vm,约 2.7m/s; 2)等速阶段 t2:斗车在此阶段以最大提升速度 Vm 等速运行,直至斗车快要到达井口 位置开始减速为止; 3)减速阶段 t3:斗车将要接近井口时,开始以减速度 a3 开始减速; 4)爬行阶段 t4:斗车将到达预定位置时,斗车以 0.5m/s 的速度爬行; 5)制动阶段 t5:当斗车运行至终点时,提升机系统抱闸停车。 要使提升机按给定的速度曲线运行,电气传动系统应能根据负载的变化而自动的工作在 电动或制动状态。综合以上提升机的运行特点以及矿山生产固有的特点,提升机工艺对提升 机电控系统的要求如下: 1)加(减)速度应符合国家有关安全生产规程的规定。提升人员时,加速度 a≤0.75m/s 2 ,升降物料时,加速度 a≤1.2m/ s 2。另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。[2] 2)具有良好的调速性能。要求速度平稳,调速方便,调速范围大,能满足各种运行方式 及提升阶段(如加速、减速、等速、爬行等)稳定运行的要求。 3)有较好的起动性能。提升机不同于其他机械,不可能等到系统运转后再装加负载,因
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此,提升机必须能够重载启动,有较高的过载能力。 4)特性曲线要硬。要保证负载变化时,提升速度基本上不受影响,防止负载大小不同时 速降过大,影响系统正常工作(当然,当负载超过一定的限度时,还要求系统能有效的自我保 护。迅速安全制动停车,即所谓要具备挖土机机械特性)。 5)工作方式转换容易。要能够方便的进行自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式 的转换,操作方便,控制灵活,不至于因工作方式的转换影响正常生产。

三、变频改造方案
改造内容:现有电控系统全部拆除,重新采购一整套新的绞车系统,其中操作台采用两 台可编程控制器,其中一台为主控机负责提升机的主程序,第二台为监控机负责信号打点、 语音报警和后备保护,两台 PLC 有主有从,互有分工,相互监视实现了安全回路的双线制。 使用变频器驱动电机,采用远程控制方式,由操作台的 PLC 将控制指令传送到变频器,控制 框图如下:

6kV,50Hz

QF
操作台 1#PLC HD9X 四象限

2#PLC

信号系统

M
图3 提升机控制框图

减 速 机

滚筒

液压站

操作台 PLC 与变频器之间采用硬线连接方式,通过 0~10V 模拟量信号调速,驱动电机在 0~50Hz 范围内运行。具体接口信息如下图所示: 变频器采用两线式控制模式,通过 DI9、DI10 两个端口分别控制变频器正、反转,频率给
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定采用 0~10V 模拟量信号,对应变频器输出频率 0~50Hz; 与高压开关柜联锁信号: 序号 1 2 名称 合闸允许 高压跳闸 性质 DO 开关量 DO 开关量 说明 允许用户合高压电源 跳开用户高压电源 备注 独立无源干接点 独立无源干接点

1)合闸允许:常开接点,闭合有效,此信号串联在供电高压开关柜的合闸回路中,当变 频器自检完成或系统处于工频状态时,信号闭合,允许用户合高压电; 2)高压跳闸:常闭接点,断开有效,此信号并联在供电高压开关柜的分闸回路上,当变 频器发生重故障或急停信号有效时,分断用户高压电; 变频器 DO 信号: 序号
4 5 6 7 8

名称
变频器报警 变频器故障 变频运行 变频停止 准备就绪

性质
DO 开关量 DO 开关量 DO 开关量 DO 开关量 DO 开关量

说明
轻故障,变频器停机 重故障,停机并联跳高压 变频器处于运行中 变频器停止运行 变频器自检完全,待机中

备注
独立无源干按点 独立无源干按点 独立无源干按点 独立无源干按点 独立无源干按点

以上输出信号全部为独立无源干接点,默认为常开接点,闭合有效,容量大小为 250V AC 5A。 变频器 DI 信号: 序号
1 2 3 4

名称
变频正转 变频反转 复位 急停

性质
DI 开关量 DI 开关量 DI 开关量 DI 开关量

说明
正转指令 反转指令 故障复位指令 紧急停机并联跳高压

备注
独立无源干按点 独立无源干按点 独立无源干按点 独立无源干按点

以上输入信号仅需客户提供独立无源干接点,脉冲信号,除急停外,其它信号均默认为 常开接点,闭合有效; 变频器 AI 信号: 序号 名称 性质 说明 备注

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1 2

频率给定 备用

AI(0~10V) AI(4~20mA)

对应频率给定 0~50Hz

模拟信号 模拟信号

变频器 AO 信号: 序号
1 2 3

名称
频率反馈 电流反馈 备用

性质
AO(4~20mA) AO(4~20mA) AO(4~20mA)

说明
对应变频器输出频率 0~50Hz 对应 0~2 倍的电机额定电流

备注
模拟信号 模拟信号 模拟信号

注:如果有特殊接口需求,可提前与我公司联系,进行定制;

变频器控制采用开环矢量控制技术,无需安装编码器作速度闭环控制,可根据电机运行 电压及电流自行解耦出电机实时运行状态。

四、高压变频系统原理
国内市场上绝大多数高压变频器均采用功率单元串联多电平结构,其中,功率单元采用 两电平拓扑结构,10kV 高压变频器每相由 8 或 9 个功率单元组成,整机由 24 或 27 个功率单 元组成,具有功率单元数量众多,体积大的缺点。根据此种情况,汇川技术创新性的提出了 三电平功率单元串联多电平结构,使得每个功率单元具有更高的输出电压,10kV 高压变频器 整机只需要 15 个功率单元,从根本上减少了功率单元数量,减小了变频器整机体积。10kV 高 压变频器整机拓扑图如下:

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图 4:10kV 四象限高压变频器拓扑图

图 5:实际运行中 HMI 画面

功率单元采用三电平拓扑结构,中心点采用二极管钳位,整个功率单元由 AFE 整流、直 流滤波、逆变三大部分组成,功率单元拓扑结构如下:

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AFE 整流

直流滤波

逆 变

输 出(旁路功能选配)

图 6:功率单元拓扑图

当变频器输出转速和输出转矩方向一致时,电机处于电动机状态,此时,功率单元 AFE 侧从电网获取有更多的功功率,提供给电机转化为机械能;当变频器输出转速与输出转矩方 向不一致时,电机处于发电机状态,此时,产生的电能会将功率单元的母线电压抬高,AFE 侧迅速将多余的能量回馈到电网。

五、变频改造优势
1、节能:相比较于之前的转子串电阻太偶素方式,采用变频调速后,在生产力提升 30% 的情况下,用电量节约超过 20%; 2、系统安全性得到提升:采用变频调速之后,系统能够按照设计的速度曲线自主的进行 提升速度的精确控制,降低了系统的操作难度,避免了超速、过卷的发生,极大的提升了整 个系统的安全性; 3、低速运行性能优越:采用磁链闭环矢量控制技术,除具有电流、电压闭环外,还具有 磁链闭环的特性,不依赖电机参数,解决了传统矢量控制低频控制效果差的缺点,在低频时 依然能够可靠驱动电机,不会出现电机转速波动等情况; 4、提高生产效率:改造后,变频器加速时间 10s,减速时间 10s,大大缩短了每次的提升 时间,提高了生产效率。彻底解决了传统系统中用制动闸瓦或电机断电自然减速来操控低速 运行时速度波动大、难于控制又不安全的难题。 5、设备维护量减少:在整个提升过程中完全依靠电力牵引与制动,制动闸瓦只需在停车 和安全回路保护动作时才进行抱闸,因此,大幅度的减少了闸瓦的磨损。
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6、工作环境得到改善:取消了原有的大功率调速电阻,彻底解决了电阻发热导致环境温 度高的问题,大大改善了运行现场的工作环境。 7、无编码器矢量控制:大多数高压变频器厂家在提升机应用上,需在电机轴上安装编码 器进行速度闭环控制,在实际应用时,安装编码器非常困难且容易损坏;汇川技术 HD92 四象 限高压变频器采用开环矢量控制,无需安装编码器,实际应用结果表明,汇川技术变频器在 不加装编码器的情况下,控制性能依然优越于大多数厂家; 8、低频大扭矩特性:采用磁链闭环矢量控制技术,具有优越的低频特性,采用开环矢量 控制时,在 0.5Hz 就能够输出 150%额定转矩,确保提升机在低速运行时,依然有足够的转矩 输出,不会出现拖不动、溜钩、怠速抱闸等现象; 9、启动平滑无冲击:采用磁链闭环矢量控制技术,励磁电流和转矩电流完全解耦控制, 在启动过程中,输出电流完全受控,不会出现启动冲击电流; 10、谐波小:采用 AFE 可控整流,网侧功率因数独立可控,接近于 1,且每个功率单元 配备有独立的 PFC 电抗器,确保对电网没有任何谐波污染;

六、 附录

[1] 参考汇川技术矿井提升机技术方案.2014 [2]《化学矿山安全规程》第一百八十三条 竖井中用罐笼升降人员的加速度和减速度,不得超 过0.75米/平方秒,其最大速度用下列公式的计算值,但不得大于12米/秒。

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