矿井提升机调速系统（精选9篇）

矿井提升机调速系统 第1篇

目前, 国内提升机的调速系统主要有串电阻调速、V-M直流调速系统、交-交变频调速系统和交-直-交变频调速系统。各个系统都有着自身的优缺点。

1 交流绕线式异步电机转子回路串电阻调速系统

这种方案的电动机转速调节是通过改变转子回路串联的附加电阻来实现的。调速时能耗很大, 属转子功率消耗型调速方案。在加速阶段和低速运行时, 大部分能量 (转差能量) 以热能的形式消耗掉了, 因此驱动系统的运行效率较低。这种调速方案是在低同步状态下产生制动转矩, 需采用直流能耗制动方案 (即动力制动) , 或采用低频制动。用这种方法调速时, 由于电机的极对数与施加在其定子侧的电压频率均不变, 所以电机的同步转速或理想空载转速也不变, 调速时机械特性随着转子回路电阻的增大而变软, 从而大大降低了电气传动的稳态调速精度。在实际应用中, 由于串入电机转子回路的附加电阻级数受限, 无法实现平滑的调速。

综上所述, 这种调速方案存在着调速性能差, 运行效率低、运行状态的切换死区大及调速不平滑等缺点。从节能和安全考虑仅适用于小功率且控制要求不高的提升系统。但目前在我国的各种矿山中, 这种方案使用得相当普遍, 以后将面临着技术改造的问题。

2 V-M直流调速技术

“晶闸管变流器-电动机” (简称V-M) 直流调速技术为了实现四象限调速, 常采用两种电气控制方案:一种是电枢可逆调速方案;另一种是磁场可逆调速方案。

在电枢可逆调速技术中, 直流电机励磁电流的大小和方向恒定, 通过改变电机电枢供电电压的方向来实现可逆调速。但由于晶闸管的单相导电性, 常采用正、反两组晶闸管整流装置, 来提供正反向电枢电压。此种方法正、反转切换速度快, 动态响应好, 但由于采用正、反两组晶闸管整流装置, 随着容量增大, 造价也变得较高。

在磁场可逆调速系统中, 电机电枢电压不变, 通过改变励磁电流if的方向实现可逆调速。所以电机电枢用一组整流装置供电, 而励磁侧采用正、反两组晶闸管整流装置交替工作来改变励磁电流if的方向, 从而使磁通方向改变, 达到可逆调速。虽然此种方法也需要两组整流装置, 但由于励磁功率通常较小, 故造价比上种方法低。由于电机励磁回路电感量较大, 励磁电流的反向过程较长, 所以快速性能不高, 只适应于正、反转不太频繁的大容量可逆传动系统中。

当采用V-M直流调速系统时, 要根据现场情况选取控制方案。这种调速方案运行效率高 (可达0.95左右) , 调速性能好, 但由于其整流侧采用的是晶闸管相控整流, 所以功率因数低, 谐波电流大, 对电网污染严重。

3 交-交变频调速技术

交-交变频调速技术是在上世纪70年代被提出, 在80年代开始应用到矿井提升机调速系统中。交-交变频是在输入的交流电上通过斩波或相控方式将其变换为另一种交流电, 所以也称为直接变化法。首先出现的是西门子交-交变频同步机调速系统, 之后又出现日本的交-交变频笼型异步机调速系统, 随着电力电子新技术的不断发展已经实现全数字化控制。

交-交变频器由三组可逆桥式整流器组成, 其控制方式可以是常规方式, 也可以是矢量控制方式。通过控制可以使变频器输出为频率和幅值都可变的三相交流电压, 从而实现变频调速, 主电路下图所示:

交-交变频调速技术系统框图

交-交变频调速系技术具有良好的控制性能, 效率高, 调速性能好, 特别适用于低速大功率矿井提升系统。但该调速系统也存在功率因数低、谐波大, 对电网污染严重, 通常在使用时要另外安装功率补偿装置和谐波吸收装置, 增加了投资费用。

4 交-直-交变频调速技术

随着电力电子技术、计算机控制技术和大规模集成电路的发展, 特别是交流传动技术的发展如矢量控制技术和直接转矩控制技术的出现, 变频调速技术也随之发生了很大的进步, 形成了和直流调速技术同样优良的

双PWM交-直-交变频调速系统框图交流调速技术。交流调速技术可以分为:交-交变频调速技术和交-直-交变频调速技术。

与交-交变频相比, 交-直-交变频先把交流电整流为直流电, 之后再把直流电逆变为交流电, 在能量变换过程中存在直流环节, 所以也被称为间接变化法, 结构图见上图。从图中可以看到, 交-直-交变频在整流和逆变侧均采用全控型器件, 效率高、谐波量小, 同时采用PWM控制方式可使功率因数接近为1, 电流波形为正弦波, 在控制性能上比交-交变频具有绝对优势。由于受到全控型器件耐压、耐流的问题, 现多应用于中小功率场合, 随着新一代全控型器件 (IGCT) 的发展, 双PWM交-直-交变频调速系统已经进入到大功率场合。

结论

变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速或恒减速控制, 消除了传统的串电阻调速造成的消耗, 具有很明显的节能效果, 交-直-交变频调速系统具有调速精度高、四象限运行、工作频率低、功率因数高, 动态响应快等一系列优点, 同时, 该套系统有准确的定位和制动功能, 可靠性好, 使得其在矿山行业得到了应用。由于国内在该方面的起步比较晚, 随然发展迅速, 但是还没有形成完善可靠的产品, 因此, 对该项技术的研究具有良好的实际意义。

摘要：本文主要介绍了矿井提升机调速技术的发展现状, 并对串电阻调速系统、V-M系统、交-交变频调速系统、交-直-交变频调速系统四种提升机提速系统做了比较分析, 总结出交-直-交变频调速系统的优势, 具有重要的现实意义。

关键词：交直交变频调速,矿井,提升系统,V-M

参考文献

[1]李永东.高性能大容量交流电机调速技术的现状及展望[J].北京:电工技术学报, 2005, 20 (2) .

[2]王兆安, 黄俊等.电力电子技术 (第四版) [M].北京:机械工业出版社, 2005.

矿井提升机调速系统 第2篇

5总结

以上是根据自己多年的PLC、变频技术的研究和应用写出关于PLC与变频技术矿井提升机系统的文章，其中包含了组成的硬件部分和软件部分的程序思路以及注意事项。这种<<上接133页新型的矿井提升机系统相比于传统的矿井提升机在性能上有了很大的提升，达到了智能、高效、省时、省力、安全的效果。在参与设备的设计和改造时，产品也得到了当地单位的一致好评。当然，在新环境中设计与安装矿井提升机系统设备时，因地制宜地应用不同的PLC及变频器和机械设备。本文只作为部分的参考，希望能给广大的读者带来一些帮助。

参考文献

[1]向晓汉,编著.西门子PLC工业通信完全精通教程[M].北京：化学工业出版社,.

[2]梁强,编著.西门子PLC控制系统设计及应用[M].北京：中国电力出版社,.

[3]姜建芳,编著.西门子S7-300/400PLC工程应用技术[M].北京：机械工业出版社,.

[4]王建,杨秀双,编著.西门子变频器入门与典型应用[M].北京：中国电力出版社,.

矿井提升机监控系统设计 第3篇

随着我国的信息技术的不断发展，在煤矿开采中也向煤矿信息化的趋势发展，煤矿信息是实现煤矿管理现代化和安全保障的重要手段，是将自动化控制技术运动到煤矿生产环节中，对生产中的各个环节进行实时监控，实现煤矿生产中的信息和资源共享。

在煤矿生产中，矿井提升机主要是提升原煤、工具、人员和物流的实施机构，在煤矿生产中起着非常重要的作用，对矿井提升机进行实时监控也是煤矿信息化的一个重要举措。本文是利用PLC控制对提升机的工作状态、参数显示和报警处理进行监控，将提升机的运行数据上传至数据库中，实现矿井提升机的实时监控，提高煤矿安全生产的效率。

1、矿井提升机监控系统的结构设计

在矿井提升机监控系统的结构设计图如下图所示，主要有信息层、控制层和对象层等3个方面，在信息层主要是提升机的上位机部分，包括人机显示、数据传输和报警系统等几部分组成，控制部分主要是采用可编程控制器，对象层主要是提升机的控制对象，包括电机、减速箱等执行机构部分和各种传感器等。

为了确保系统的安全可靠性，上位机部分采用研华公司的工控机，参数为P4双核2.8G的CPU，硬盘容量为120G，并有CRT显示器，可实时显示系统的运行信息和各项参数指标。控制器选用西门子公司的S7-300PLC，主要完成数据采集与传输等功能，在传输数据时需采用CRC校验。对象层主要是一些传感器和执行机构等等，传感器在整个监控系统中发挥着重要的作用，为了满足需求，选用SICK公司生产的位移传感器和速度传感器，其数据传输稳定性高、抗干扰能力强，调节范围宽等参数能够满足矿井提升机构的位移检测要求。

由于西门子的PLC可采用模块化设计，在提升机的监控系统中，主要的控制任务是选择合适的操作方式、处理控制命令、处理停车方式等指令，下图的系统控制流程图是以选择操作方式为目的，对PCL的控制指令进行阐述。

由于系统具有手动操作、远程操作和检修操作三种指令，其中手动操作是基于接触器的控制方式，需要工作人员在现场操作，这种方式一般不需要PLC来辅助，远程操作是指用上位机对系统进行远程控制。检修操作将设备进行封锁操作，保证检修安全。

2、矿井提升机监控系统的主要功能

2.1 监控系统保护功能

（1）主要是控制操作提升机，包括提升机的启停、滚筒的反转、提升轨道的信号锁定、提升机的位移和速度控制等功能；

（2）电气系统的运行状态监测、提升机的报警信号显示；

（3）控制提升机的启停状态位置；

（4）控制提升机的减速状态，一般当提升机要到达需要位置前，为了能够稳定停车，需要在达到位置前进行减速，若绞车司机忘记减速控制时，监控系统会及时根据提升机的运行速度和位置准确计算出减速流程，并控制电机进行减速操作，避免由于操作不当引起超车等事故。系统会实时监控提升机的提升速度是否系统允许的提升速度范围内，若发现超速情况会立即报警，系统会自动做出减速处理；

（5）过卷保护，由于电气、机械故障或者人为故障等因素造成提升机超过停车位置后，过卷保护传感器会自动报警处理，过卷保护传感器的信号会实时传输至PLC，进行紧急制动处理，以免造成安全责任事故；

（6）提升位置与线缆位置的同步校验，若出现提升位置与线缆位置不同步时，会造成驱动轮打滑，线缆松动等现象；

（7）监控并记录提升机的日提升次数。

2.2 监控系统的实时监视功能

（1）实时记录提升机的运行状态信息，系统会自动记录提升机的位置实时参数，如今系统可对提升机进行模型状态显示，将提升机的三维模型实时显示在计算机上；

（2）显示提升机的主要性能参数，主要包括启停信号、电路保护信号、电机运行状态信号、提升机运行方向信号、电流控制信号等；

（3）运行状态记录，主要是实时保存提升机的运行状态信号，并在设定的时间内上传至服务器中，运行状态信号主要包括电机电流信号、提升机位置与速度信号和各种故障信号等等；

（4） 系统电路图显示，对整个监控回路以电路图的形式显示在监视器上，绿色表示安全运行，红色表示系统报警提示。对整个电气系统进行分页显示，当系统出现故障时，分页显示功能会提示检修人员系统的故障报警点，缩短系统诊断时间。

2.3 监控系统的管理功能

监控系统的管理主要是系统设置和用户管理权限的设置，系统设置主要是对系统的各个参数进行调节、对一些常见的系统控制模块进行指令化调用以满足系统的要求；用户管理权限的设置主要是针对公司内部的人员进行不同等级的使用操作权限。一般用户在打开监控系统的系统设置之前，需要进行用户确认才能获得相关的等级权限。

3、矿井提升机监控系统的软件设计

矿井提升机监控系统的软件部分主要包括时PLC和上位机两部分，PLC部分主要实现提升机的启停控制、调速的实时数据进行采集处理，上位机主要是实时监视提升机运行工况，对实时数据进行保存、分析处理。

西门子的S7-300的PLC编程一般可通过梯形图来完成编译，系统故障处理模块的程序是控制部分的重点。PLC的主程序控制思路是系统初始化、自检模块、然后到系统故障诊断与反馈。对于系统故障诊断部分主要是对系统过载、电机保护和过卷保护等故障信号进行实时监控，若系统接收到故障信号，控制器会根据故障等级实施不同的触发信号。

上位机软件主要是通过MCGS组态里来开发，主要是实现运行状态的显示操作和分页显示，完成对各种故障信号的处理与提示，对提升机的运行状态信息、各种故障信息进行存储。MCGS组态软件具有模块化操作设计规则，运用其形象化的绘图工具指令可以快速的绘制出提升机的模拟画面，通过一般的VB脚本便可实现控制流程的编写，满足系统的使用功能。

4、结束语

简述矿井提升机的电气调速系统 第4篇

关键词：矿井提升机,电器原理,模糊控制,直接转矩

1 矿井提升机的传统电气系统

1.1 矿井提升机的提升流程与电气控制

为了详细讲解矿井提升机的电气系统, 先要明确其工作流程, 依其工作方式对现有的气系统进行评估, 方能提出较有意义的电气控制方案。接下来我们就对其工作流程加以叙述。

矿井提升机在提升的整个过程可分为加速、等速、减速、爬行和停车这5个阶段。在这5个阶段中加速阶段是矿井提升机由静止到运行到最高速度的过程;等速阶段是矿井提升机以最高速度运行的过程, 它是提升过程的主要运行阶段;减速阶段是矿井提升机由最高速度减速到爬行速度的过程;爬行阶段是箕斗进行定位、准备进行安全停车的过程;停车阶段是矿井提升机由爬行速度到静止停好车后的过程。

在这一系列过程中, 在矿井开始工作时, 由操作台发出加速指令, 指令传输到井口绞车提升机的控制器中, 它控制电机开始加速, 并通过减速器带动卷筒旋转, 进而收、放钢丝绳带动箕斗升降达到最高速度, 之后在到达距停车位一定距离的时候发出减速指令, 电机速度降低, 箕斗速度减慢至爬行速度, 当准备好停车至停车位时, 由停车指令触发卷筒抱闸制动机制

1.2 老式矿井提升机的电气系统

老式矿井提升机通常采用传统的交流异步电机来进行驱动。传统的交流异步电机是通过由继电器、接触器构成的逻辑控制装置来实现串、切电阻, 以达到调速目的。这使得其调速性能较差, 同时在串、切电阻的过程中要消耗大量的能量, 这也会造成能源的浪费。加之传统异步电动机在低速运行时的特性曲线较软, 这使得它在次同步状态下难以产生有效的制动力矩, 这对于准确地控制矿井提升机在特定位置停车造成了困难。同时矿井提升机在完成减速、爬行和停车的过程中常采用动力制动、低频拖动加制动的制动方式来完成, 这套控制系统中的晶闸管装置还存在着调试困难、维护工作量大等问题。[1]

老式矿井提升机的另一个问题是采用了传统的交流电控系统, 这种电控系统均为单线系统, 多个控制器使用同一套线路, 这不仅会造成各命令之间的相互影响, 与控制系统相互混联, 还会对其安全性产生较大的影响。

2 矿井提升机的电气调速系统

由于传统的交流电控系统的调速性能较差, 其调速性能主要由其控制方案所决定, 因此我们为了提升矿井提升机的调速性能我们可以依据不同的工况选择不同的控制方案。经过了长时间的发展其控制方案种类多样, 可满足施工作业时的不同需求, 接下来本文就以模糊控制和直接转矩这两个电气调速系统作为研究对象进行介绍。

2.1 模糊控制电气调速系统

模糊控制电气调速系统是指将特定的被控对象、过程控制策略等总结为一系列以“If、Then”等为表达式的控制规则, 通过处理器的模糊推理处理得到的控制作用集来形成被量化了的模糊语言集, 用以对系统进行控制。常用的模糊算法包含以下几个步骤:对模糊子集进行定义, 确立模糊控制规则;将基本论域转化为模糊集合论域;进行模糊关系的矩阵运算;进行模糊推理合成, 运算出用于控制输出的模糊子集;进行逆模糊运算、模糊判决, 从面得到精确控制量进行控制。

在对矿井提升机的转速进行控制的过程中, 实现模糊控制的原理如下图所示。

通过其原理图我们可以知道, 在这个系统中, 由PLC对传感器的采样计算出被控制量的精确值, 并与给定值进行比较以得到误差信号e和误差变化率de/dt, 然后将误差模糊化形成模糊量E和Ec, 之后对模糊量进行模糊推理运算得到模糊控制量U, 然后将模糊控制量U转化为设备可用的量化控制信号u并将其传入变频器进行控制, 收到信号的变频器依照信息指令对矿井提升机进行作用, 实现控制过程。这种电气系统与传统的电气控制系统相比, 工作范围宽, 适用范围广, 非常适合对非线性系统的控制。[2]

2.2 直接转矩电气调速系统

直接转矩控制是以转矩为中心来对磁链、转矩进行综合控制。它是通过对电机的定子电压和电流进行检测, 以瞬时空间矢量理论为依托, 通过对电机的磁链和转矩进行计算并与给定值的比较, 来实现对磁链和转矩的直接控制。其原理如图所示:

直接转矩控制系统的控制效果与转矩的实际状况相关, 它具有控制结构简单, 处理控制信号的物理概念明确, 系统响应迅速且无超调等特点, 是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。

通过以上对矿井提升机电气调速控制系统的简述, 使初学者们对其知识架构有了初步的了解, 希望可以为其深入研究提供参考依据。

参考文献

[1]卢燕.《矿井提升机电力拖动与控制》.冶金工业出版社.2001

矿井提升机调速系统 第5篇

目前的矿井提升机变频调速系统各个组成部分以采用模拟信号连接模式的居多, 信号连接量大, 现场混乱, 而且传输信号可靠性差, 传输量小[1,2,3], 难以达到矿井提升机自动化控制的要求。本文以矿井提升机变频调速系统作为技术背景, 提出了基于TMS320F2812 DSP的提升机变频调速系统的Profibus通信方案。

1 Profibus通信系统的构建

矿井提升机变频调速系统的通信系统如图1所示。

该通信系统为采用Profibus总线的单主多从系统。变频调速系统的保护PLC作为主站, 变频调速系统和HMI作为Profibus总线的从站, 主从站点间通过一条Profibus-DP总线传输信息, 上位机通过串口读取主控PLC数据, 使得提升机变频调速系统接入Profibus网络, 实现网络控制。CAN总线采用CSMA/CD的访问方式。系统在连接到CAN总线后作为CAN总线上的一个节点, 与总线的其它节点通信。

系统的Profibus通信原理如图2所示。主站采用西门子300系列315-2DP PLC实现, 2个从站由触摸屏和变频调速系统Profibus从站组成[4]。

变频调速系统的DSP2812是提升机电控系统的核心处理器, 与主CPU控制器的DSP (现场DSP) 之间通过双口RAM进行数据交换。主CPU控制器的DSP则通过Profibus总线桥和Profibus网络连接, 这样主CPU控制器的DSP就可以和现场的Profibus网络进行数据的无缝交换[5]:通过该网络一方面可以读取PLC发出的指令和调试人员或者操作人员通过触摸屏发出的指令;另一方面可以将变频调速系统的工作状态如电流、电压、速度给定、实际速度反馈、故障代码等信号通过Profibus网络传输到PLC和触摸屏中, 触摸屏以状态指示灯、实际数据、曲线等形式进行直观的显示, PLC则对实时工况进行分析并给出相应的指令。

2 系统软件设计

该系统利用计算机作为编程器, 在计算机中运行DSP编译软件CCS2.2进行通信协议的设计与实现。软件的主程序首先是主CPU控制器的DSP对Profibus总线桥进行初始化, 初始化完成后立即进入Profibus总线桥和主CPU控制器的DSP进行数据交换的无限循环中, 在中断程序中进行变频调速控制系统DSP和PLC、触摸屏之间的数据通信。

基于Profibus总线的变频调速系统主程序流程如图3所示。为了测试接入设备的波特率, 主CPU控制器的DSP向Profibus总线连续发送5次初始化报文, Profibus总线在收到初始化报文后对其进行分析, 并回答主CPU控制器的DSP, 回答报文由测试到的波特率号、初始化报文错误号和初始化成功标志组成。同样, 主CPU控制器的DSP在接收到Profibus总线回答的报文后也要对其进行分析, 如果主CPU控制器的DSP接收到回答报文则说明初始化成功, 并立即进入数据交换程序, 如果不成功则分析初始化失败原因, 并通过故障代码显示, 依据所显示的故障代号修改程序, 并最终实现初始化。

初始化成功后, Profibus总线即刻进入数据交换程序, 主CPU控制器的DSP接收到数据后将其写入所指定的双口RAM存储区域, 变频调速系统DSP2812通过背板总线从该存储区读出相应的数据并进行相应处理。对于现场要显示的数据, 由变频调速系统DSP2812写入到双口RAM相应的存储区域, 然后由主CPU控制器的DSP读出存储区域的数据交给Profibus总线处理, 最后由触摸屏显示出来。

3 现场运行效果

以平煤集团某矿主井提升机变频调速系统通信部分为例介绍现场运行效果。图4为基于Profibus总线的提升机变频调速系统初始化及数据交换运行图, 首先主CPU控制器的DSP发送5次初始化报文, Profibus总线桥回答初始化报文成功后给出初始化成功标志位, 初始化成功后主CPU控制器DSP和Profibus总线桥立即进入如图4所示的数据交换报文, 这样就进入数据交换的无限循环中。

主CPU控制器的DSP与触摸屏之间通过Profibus总线进行数据传输, 现场运行触摸屏Protool组态的主界面如图5所示。从图5可看出, 触摸屏主界面由主界面、电动机参数界面和调试界面3个部分组成。主界面用于设定变频调速系统的工作状态, 如电流、电压、速度给定、实际速度反馈、故障代码等信号;电动机参数界面用于设定电动机的相关参数;调试界面则用于显示调试时输入的相关参数。

4 结语

本文介绍的通信系统实现了提升机变频调速系统的实时通信和网络控制。现场运行结果表明, 选取Profibus总线为提升机变频调速系统的通信总线可以根据不同矿井的要求灵活配置软硬件, 降低了系统调试和布线难度, 减少了提升机电控系统的整体造价, 系统维护方便。

参考文献

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[2]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社, 1999.

[3]刘美俊.PROFIBUS现场总线的通信及实现[J].电子质量, 2003 (9) .

[4]魏亮, 宋立群, 张志杰, 等.PROFIBUS现场总线在工业控制系统中的研究与应用[J].机床电器, 2002 (2) .

矿井提升机调速系统 第6篇

关键词：矿井提升机,变频调速系统,供电质量,控制策略

矿井提升机主要应用在煤矿生产的过程中, 对于矿山生产将会起到重要的作用, 所以加强对提升机的有效控制是一项系统性并且需要一定技术含量的工作, 将其应用在煤矿开采的工作中, 能够有效的提升矿山的生产效率, 并且在安全性方面也将会得到重要的保障。随着我国对煤矿开采工作的愈发重视, 在矿井提升机的控制方面通常都会采用变频调速系统进行控制, 这种控制方法在我国已经基本形成, 可以说我国当前的煤矿生产基本上已经进入了变频调速的时代。

1 矿井提升机变频调速系统在我国的发展现状

从整体上来看, 这一系统在我国的应用已经达到了比较成熟的水平, 所以在运行的过程中其可以达到自动加速的效果, 保证矿井中正常的运行, 在运用了这一系统进行控制后, 真正实现了进行软启动以及平滑调速的效果。除此之外, 在提升机的运行过程中, 还能够恰到好处地给定S形速度, 有效地实现了对加减速时间、上下限频率等相关目标的控制。可以说, 我国目前所使用的变频调速系统中主要是以交-直-交高压为主, 这种类型的变频控制主要在以下几个方面具有重要的作用。首先是能够有效地提升工作效率, 并且不会产生较多的损耗, 起到了节能减排的作用。其次是在应用范围上, 具有更加广阔的发展空间, 值得在其他相关行业中进行推广, 尤其是在笼型异步电动机中可以得到进一步的应用。第三是在调速的方面, 具有几个不同的档, 范围更加广阔, 并且能够达到更加准确的精度。第四是在整个调节的过程中, 都是运用计算机进行控制的, 可以直接将监测结果体现在显示器中, 这样就更加便于观察以及随时进行调控, 也能对故障进行相应地诊断。随着这一控制系统的应用, 我国在矿井生产过程中变得更加安全稳定, 但是相应的一些其他问题也随之出现, 只有保证供电质量更加稳定, 才能实现变频调速系统的使用, 如果高压电网不稳定, 那么也就会在一定程度上制约着变频调速系统的使用。

2 对供电质量的基本要求以及故障分析

在进行具体工作的过程中, 需要确保电源的稳定性, 只有将电源保持在更加稳定的状态下, 才能降低故障的出现。在当前的工作中, 主要出现的故障集中在以下几个部分。首先是在电动机运行的过程中, 频率减少时, 随之电动机的同步转速也会呈现出下降的趋势, 在惯性的影响下, 转子转速并不会发生改变, 这样在电动机轴上的转矩就会转化为制动转矩, 导致电动机转速呈现出下降的趋势, 随之进入到再生制动状态之中。

其次, 髙压变频调速系统功率输出部分驱动电路采用的IGBT晶体管存在所谓擎住效应。由于IGBT半导工艺结构上存在一个寄生晶体管, 也就是寄存可控硅。IGBT的理想等效电路如图1所示。

它是一个PNP双极晶体管和功率MOSFET采用达林顿连接而形成的单片BI-MOS晶体管。而实际的IGBT的等效电路却如图2所示。

IGBT实际等效电路与理想等效电路的不同之处在于T2与T3分别是由可控硅与功率MOSFET构成的。图中T2是有条件的寄生存在的, 正常使用不存在T2, 当电流突然增大其压降大到能够使寄生T2导通, T2与T3晶体管门极控制作用失灵, 形成自锁现象, 这就是擎住效应。

第三种情况是在伺服驱动的过程中产生的一种情况, 当感性电机负载冲击到IGBT晶体管时, 通过变频调速系统就会将现有的工作状态传导入电网中, 此时系统正处在减速的运行阶段, 而电机正处在再生制动的状态中, 如果电网出现断路的情况, 在大电流的影响下就会产生擎住效应, 造成矿井提升机不能正常地进行升降, 由此会产生一系列的安全事故。

3 控制矿井供电质量的具体措施

为了保证煤矿工人进行更加安全的生产工作, 就需要对矿井提升机的应用加以重视, 因为在矿山生产中, 这一设备是不可或缺的设备之一, 通过对矿井提升机性能的不断提高, 便能够确保煤矿的生产效率, 将煤矿生产得到更加安全的保障。对此, 笔者认为应该进一步提升矿井的供电质量, 从变频调速的方面入手, 这样才能从根本上为矿井安全提供基础性的保障。要想确保矿井提升井能够得到有效的控制, 就需要对供电质量进行进一步地管理。笔者主要从以下几个方面提出了相应的措施。

(1) 首先, 一定要保证供电区域的电流状态, 并且以此为基础对矿井提升机的运行制定出更加准确的方案。操作人员也应该进一步强化自身的隐患意识, 严格按照操作指令中的要求进行控制, 并且随时观察电网中电压的变化情况, 如果出现问题, 就要及时采取应急措施予以解决。进一步提升运行, 这样就能缓解因为负荷量增大而产生的压降情况。如果天气出现异常, 那么就要采用灾害天气的预防方案, 禁止在灾害天气中继续使用提升机, 以防止因为供电故障而发生的安全事故。

(2) 在对变频调速系统进行控制的过程中, 需要注意的是在拖动系统出现转速下降的过程中, 动能逐渐降低的状况, 在这种情况下, 电动机便不能将电能传输回电网中, 从而造成泵生电压的情况, 此时的电压如果超出一定的数值, 那么就需要再增设一条放电回路, 将增生的电能逐步消耗掉。通过对电路的进一步优化设计, 能够将电动机的定子电源得到有效的控制, 取得保护电路的作用。

(3) 常规矿井提升机的交流电动机, 通常都是在额定频率、额定电压下工作的。此时, 轴上输出转矩、输出功率都可以达到额定值。在变频调速的情况下, 供电频率是变化的, 电机的实际输出也会变化, 由于变频器有一定的通用性, 因此在与不同拖动场合的电机配合时, 必须合理选择容量。同时在一台变频器驱动一台电机的情况下, 变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流, 或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。

(4) 采用变频调速系统后, 由于所采用的电路均为大规模和超大规模的集成电路, 结构简单并且不需要大量的元器件, 大大地减少了原来系统的故障点, 有效保障了矿井提升机的运行安全性与供电稳定性。

结语

保证矿井工作的安全性是目前工作的重中之重, 因此需要相关部门对矿井发生安全事故的主要原因进行调查研究, 从而得到有效地控制。本文主要对其中的重要影响因素, 即矿井供电质量的问题进行了论述, 希望得到有效解决。影响矿井供电质量的主要因素在于高压变频调速系统出现了故障, 受到操作方面或者制造工艺等方面诸多因素的影响, 所以只要加强质量管理, 操作方面的问题是完全可以得到避免的。只要使驱动电路改进得更加完善, 就能实现保护的目标。

参考文献

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矿井提升机调速系统 第7篇

1 IGCT逆变器工作原理

1.1 IGCT结构

IGCT结构如图1所示,该图左侧是GCT(门极换流晶闸管),右侧是反并联的二极管。IGCT是在GTO的基础上研制出来的改良器件,是由GCT和硬门极驱动电路集成而来的。GCT与GTO有着类似的3端4层结构,与GTO有重要差别的是GCT芯片利用缓冲层技术,采用透明阳极发射技术的IGCT阳极很薄,且为弱掺杂,硅片厚度更薄,可大大降低导通和开关损耗。GCT内部由上百甚至上千只小GCT元件组成,它们的阳极公用,而阴极、门极则分别并联在一起,其目的就是利用门极实现器件关断。

ACSC6000SD系统的IGCT驱动电路触发功率小,把触发及状态监视电路和IGCT管芯做成一个整体,通过两根光纤输入触发信号,输出工作状态信号。IGCT与门极驱动器相距很近(间距15 cm),使IGCT结构更加紧凑和坚固,并可使门极电路的电感进一步减小,降低了门极驱动电路元件数、热耗散,从而明显降低了门极驱动电路的成本和效率。门极驱动电路需要20～24 V的直流电源。驱动板设有单独的开通电路和关断电路。逻辑监控电路对IGCT的状态进行监控,假如功率开关器件损坏,通过驱动板上的发光二极管显示,若驱动电源有故障,也通过不同的发光二极管显示。若电路正常,通过光纤给出高电平,IGCT导通,给出低电平,IGCT关断。

IGCT利用门极脉冲开通,导通机理及结构与GTO完全一样,但关断机理与GTO完全不同。当GCT工作在导通状态时,是一个像晶闸管一样的正反馈开关,其特点是携带电流能力强和通态压降低。在关断时,GCT能瞬间从导通状态转到阻断状态,阳极电压一旦建立GCT门阴极PN结提前进入反向偏置,电子便能通过发射极排出,部分电子在金属电极界面处复合,而不注入空穴,此时无需采用阳极短路就可限制PNP晶体管的发射效率和增益,拖尾电流虽然大但时间短(表1为GTO和IGCT的性能比较),从而大大提高了门极触发灵敏度,缩短了关断时间,提高了关断速度,兼顾了晶体管稳定关断能力和晶闸管的低通态损耗的优点,降低了关断损耗,并有效地退出工作,整个器件呈晶体管方式工作。

1.2 IGCT逆变器

IGCT逆变器的拓朴结构为三相三电平,共包括12个带组合二极管的IGCT模块,每相由4只IGCT,8只二极管组成,其中钳位二极管2只,中点二极管2只,反馈二极管4只。由这些器件组成一个三电平逆变器如图2所示。

以A相为例,定义电流由逆变器流向电机方向为正方向。给VT1m,VT1A导通触发脉冲时,假如电流为正方向,则P点电流流过主管VT1m,VT1A,输出端电位等同于P点电位;若电流为反方向,流过续流二极管VD1m,VD1A,电流注入P点,输出端电位仍等同于P点电位。给VT1A,VT4A导通触发脉冲时,假如电流为正方向,则O*点电流流过二极管VD1、主管VT1A,输出端电位等同于O'点电位;若电流为反方向,电流流过主管VT4A,二极管VD4,注入O'点,输出端电位仍等同于O'点电位。给VT4A,VT4m导通触发脉冲时,假如电流为正方向,则N点电流流过续流二极管VD4A,VD4m,输出端电位等同于N点电位;若电流为反方向,电流流过主管VT4A,VT4m,注入N点,输出端电位仍等同于N点电位。

由此可见,每相桥臂的4个IGCT有3种不同的通断组合,对应3种不同的输出电位。设VT1m与VT1A导通为模式1接通P,输出电压为+Ud/2;VT1A与VT4A导通模式2接通O',输出电压为0;VT4A与VT4m导通为模式3接通N,输出电压为-Ud/2。

2 提升机变频调速系统

新型矿井提升机变频调速多采用ABB公司的ACS6000SD交-直-交变频器,带4 000 kW同步电动机的驱动方案。ACS6000SD驱动控制系统包含有两个拓扑结构完全相同的三电平IGCT变流器,一个作为PWM整流器(ARU),另一个作为PWM逆变器(INU),其结构如图3所示。

鉴于矿井提升机的运行工艺,提升机属往复运动的生产机械,频繁加、减速,另外矿井提升机电动机容量达4 000 kW,因此系统要求开关器件的工作电压高、工作电流大及通态损耗低。ACS6000SD系统的IGCT单管交流阻断电压达6 000 V,瞬时电流达4 kA,开关关断时间1μs。ACS6000SD是基于直接转矩控制技术新型交-直-交电压型中压变频器,功率范围从3～27 MW。整流单元ARU和逆变单元INU的硬件拓扑结构是完全相同的,不同之处是ARU单元比INU单元多了2块ASE抗磁饱和电路。

ACS6000SD系统通过交-直-交变频器对矿井提升同步电动机进行控制,IGCT在电路中作为变频器的主开关器件。变频器主电路由进线侧三电平整流器、中间直流电路、电机侧三电平逆变器构成。该电路具有以下特点:1)可以实现输入功率因数为1;2)在额定负载下的效率大于97%;3)可控制同步电动机功率因数为1;4)逆变器采用直接转矩控制技术,静态速度误差0.01%,动态速度误差0.2%～0.5%;

整流单元ARU将变压器的二次侧交流电压整流为直流电压,整流输出电压为直流4 800 V。在直流母线处有储能电容单元CBU,CBU中的大电容用来存储能量,用于保证直流回路的电压恒定。根据电动机的运行模式(电动或制动),ARU分别从电网获取能量或向电网注入能量来实现能量的双向流动。

功率因数控制:ARU整流器采用矢量控制策略,通过选择适当ARU脉冲触发模式,使变压器电流与线电压具有相同的相位,从而使系统的功率因数cosφ为1。变压器是感性负载,要使功率因数为1,就要对其进行补偿,使其总体呈阻性负载,因此ACS6000SD系统在直流侧增加了CBU电容柜,以容性负载的超前特性来抵消感性负载的滞后,这就要求能量能经过ARU进行流动,而ACS6000SD系统也具备了让ARU反向逆变的功能,使ARU实现反向逆变功能是由ARU的控制板AMC3来控制的。

三电平逆变单元将ARU整流输出的直流电压转变为频率可调的交流电压以驱动电机。逆变单元允许4象限运行。INU单元的电路拓扑结构与ARU整流单元相同,INU逆变器采用的控制策略为基于三电平的直接转矩控制。INU和ARU一样,其直流侧连接到直流回路的电容上,因此对整个系统是对称的。由于IGCT关断时正向电流必须迅速归零,di/dt过大,因此利用钳位电路来吸收IGCT关断时的能量。

CBU单元的作用是过滤和平滑直流母线上的直流电压,储存逆变器反馈回来的直流电能。CBU单元的主要组成部分如下:

1)充电回路由一个辅助升压变压器(输入660V,输出为3 900 V/0.9 A)和一个二极管整流电路组成。作用是在ARU开始工作之前对直流回路进行充电,使直流回路中的直流电压稳定在DC4 200 V左右,整个充电过程需要时间大约为40s。如不对直流回路进行预充电,ARU开始工作时会产生一个很大的浪涌电流,对CBU内的电容产生冲击破坏,同时对ARU单元内的IGCT器件构成威胁。

2)电容组是CBU的主要部分,它直接连接在直流侧的正极(DC+)与中性点(NP)、中性点与负极(DC-)之间。ACS6000SD系统的直流侧电容的数量取决于系统容量的要求,例如配置6个电容可以达到9 MVA的系统容量,每个电容的容量为1.6 mF(2 700 V/260 A)。

3 结语

IGCT变频器是基于双PWM的三电平变频器调速装置。整流桥侧采用矢量控制技术,可以大大减小整流侧的电流谐波,任意调整电网侧的输入功率因数以及实现4象限运行;逆变器侧采用DTC控制,其输出的转矩响应更快;使用三电平技术,使输出线电压波形更加接近正弦波,变频器中的IGCT承受的电压仅为直流电压的一半,这样将变频器的电压和容量提高一倍。故IGCT变频器非常适用于高电压、大容量的矿井提升机调速系统,其提升效率明显高于同类型设备,能耗大幅度下降。

摘要：着重介绍了IGCT大功率三电平变频器在煤矿主井提升调速系统中的应用，分析了提升机电控系统中运用IGCT三电平逆变器的工作原理。IGCT变频器可以做到大功率、高电压，使提升机电控系统可靠性更高，输入、输出的功率因数为1，减少了电网的谐波污染，使提升效率明显高于同类型设备，能耗大幅度下降。

关键词：集成门极换向晶闸管,三电平变频器,矿井提升机

参考文献

[1]李崇坚．交流同步电机调速系统[M]．北京：科学出版社，2006．

[2]祝龙记，张磊，过希文．大功率同步电机直接转矩控制系统[J]．电力电子技术，2006，40(6)：22-24．

[3]谢军，孙忠献，温晓玲．IGCT在矿井提升机斩波串级调速系统中的应用[J]．煤矿机电，2007(2)：73-74．

矿井提升机调速系统 第8篇

鹤岗矿业集团新陆煤矿主井提升机为斜井箕斗提升, 采用R800-8/1180型交流绕线高压异步电动机, 电动机功率为800 kW, 电动机定子电压为6 kW, 定子额定电流为97 A, 转子电压为551 V, 转子电流为890 A。原提升机TKD电控系统采用传统的继电器-接触器控制方式, 控制精度不高、线路复杂、故障点多、可靠性差, 且调速方式为转子串电阻调速, 调速范围小、调速不平滑、速度不易控制, 同时耗能大。该电控系统经过21年的运行, 电气设备老化严重, 故障率高, 维修工作量大, 影响了正常提升, 已不适应生产的需要。因此, 笔者对原提升机TKD电控系统进行了更新改造, 采用全控双馈变频调速系统解决上述问题。

1系统组成

全控双馈变频调速系统主要由变频柜、调节柜、主控柜、司机操作台、上位机监控5个部分组成。

1.1 变频柜

变频柜用于完成转子回路的变压变频调速任务, 由IGBT全控器件组成的双三电平PWM变换器构成。三电平PWM变频器克服了二电平逆变器笨重、耗能、昂贵的输出变压器和复杂的动态均压电路等诸多缺点, 具有电平数越高则输出的电压谐波含量越低、开关器件的开关频率低、开关损耗小、系统效率高、无需输出变压器和动态均压电路等优点。

采用不同的控制方式, 可使三电平PWM变换器工作在逆变状态或整流状态。在逆变状态, 通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合, 可以实现多电平阶梯波电压输出, 从而使得输出电压波形更加接近正弦波。在整流状态, 可在直流输出电压可控的基础上, 实现网侧功率因数可调。

1.2 调节柜 (全控双馈调节系统)

调节柜通过16位并行总线与高速串行总线相连, 具有较强的实时数据处理能力和可扩展性, 用于完成全控双馈变频调速系统的控制和调节功能, 主要由以下几个部分构成:

(1) 系统主处理单元:使用32位RISC主处理器MPC5554, 实现速度调节、开停机条件检查及控制、设备运行状况监视功能。

(2) 模拟量接口单元:提供16路模拟量输出, 将系统运行信息通过模拟量供给外部仪表和操作设备。

(3) 通信接口单元:采用Profibus工业控制总线实现与PLC无缝连接。

(4) 显示操作接口单元:提供设备显示和操作键盘接口。

(5) 脉冲触发处理单元:为系统的核心单元, 完成矢量控制、电流调节、触发脉冲分配等任务。

(6) 功率驱动接口单元:为脉冲触发处理单元提供必要的输入信号, 并将其输出的脉冲触发信号进行功率放大。

1.3 主控柜 (PLC控制系统)

主控柜主要由行程监控PLC、操作保护PLC与继电器直动保护回路构成。通过Profibus总线实现PLC冗余控制和保护功能, 用于完成提升机行程控制、逻辑操作和故障保护、液压制动控制以及其它辅机设备自动控制等任务。

(1) S7-300 PLC硬件配置:

电源模块、CPU模块、数字量I/O模块、A/D和D/A模块、通信模块等。

(2) PLC提升行程控制:

由行程监控PLC、轴编码器和井筒同步开关构成。轴编码器将在线速度和行程位置转换成脉冲信号分别送入PLC, PLC将部分操作信号、保护信号以及设定的一些行程参数与轴编码器信号结合起来进行逻辑运算处理, 自动产生提升机所需的速度给定信号 (即运行曲线) 。为了尽量减少启动、制动过程中的机械冲击, 提高提升机控制精度, 速度给定信号的加速、减速段应为“S”型曲线。减速段行程通过PLC实际运算来调节减速度, 使其为一固定值, 从而保证停车点不变和停车位置的准确性。行程监控PLC与操作保护PLC之间相互保护、相互监视;行程监控PLC产生包络曲线, 对提升机的速度进行连续监视。

(3) 操作保护PLC:

执行操作程序, 生成开车信号和方向;实现各种故障保护及闭锁功能;与行程监控PLC之间相互保护、相互监视。

(4) 安全保护回路:

一套由PLC构成, 另一套为继电器直动回路, 两者构成双线制提升机安全保护回路。

1.4 司机操作台

司机操作台由控制选择开关、设备状态指示、启动、停止按钮、仪表回路、行车给定等部分构成。司机接到开车信号后, 选择开车方式, 启动必要的开车设备, 满足开车条件后, 司机操作工作闸控制手把、主令操作手把开车。

(1) 控制选择开关包括速度转换开关 (正常、检修) 、方式选择开关 (自动、半自动、手动) , 过卷复位开关 (正向、正常、反向) , 制动泵选择开关 (1#泵、2#泵) , 润滑泵选择开关 (1#泵、2#泵) 。

(2) 设备状态指示包括安全回路、制动泵运行、润滑泵运行、工作闸及主令手把零位、打点信号、减速点、停车点、过卷指示等。

(3) 启动、停止按钮包括制动泵启动、停止按钮、润滑泵启动、停止按钮、安全回路启动按钮、紧急停车按钮、系统复位按钮等。

(4) 仪表回路包括定子、转子电压表、定子、转子电流表、低压电源表、可调闸毫安表、速度表、行程表、制动油压表、润滑油压表等。

(5) 行车给定包括工作闸操作手把、主令操作手把。

1.5 上位机监控

由上位机实现人机对话功能, 可显示提升机运行状态、提升机故障、控制选择状态画面、反映提升机所有的运行参数和运行状态, 以及故障类型和故障发生时间。若提升机发生故障, 司机可及时从上位机了解故障类型及位置, 以通知维修人员排除故障, 从而缩短排除故障时间, 提高劳动生产率。

2系统工作原理

全控双馈变频调速系统工作原理如图1所示。其中, CU1和CU2组成双三电平PWM变换器。

双馈电动机定子侧接入恒压恒频电网 (6 kV、50 Hz) , 转子侧接入三电平PWM变换器CU1, 三电平PWM变换器CU2接到逆变/整流变压器的二次侧, 逆变/整流变压器的一次侧接入恒压恒频电网。

当转子馈出能量时, CU1工作在全控整流状态, CU2工作在变压变频的逆变状态;当转子馈入能量时, CU1和CU2与上述工作状态相反。

图1中, 电容C1、C2 (2个电容参数应当一致) 将CU2整流输出的直流电压均分成Ed/2。CU1每相桥臂有4个开关, Si1、Si2、Si3、Si4 (i=1, 2, 3) 作为开关的功率开关器件, 二极管Di1、Di2 (i=1, 2, 3) 的作用是箝位和防止电容被短路。当某相的Si2、Si3导通、其余开关关断时, Di1、Di2与Si2、Si3一起将该相的输出箝位至零。而在Si1和Si2 (或者Si3和Si4) 导通时, Di1 (或者Di2) 用于防止电容C1 (或者C2) 被短路。

CU1每相可以输出3种状态。以U相为例, 当U相的开关S11、S12导通时, U相输出电压为+ (Ed/2) , 记该状态为1;当U相的开关S12、S13导通时, U相输出电压为0, 记该状态为0;当U相的开关S13、S14导通时, U相输出电压为- (Ed/2) , 记该状态为-1。

由以上分析可知, 二极管箝位三电平PWM变换器的每相通过开关器件的不同导通状态可输出3种状态。为了减少开关次数、降低开关损耗、减小开关器件的应力, 一般不允许各相输出电压在+ (Ed/2) 和- (Ed/2) 之间直接跳变, 而是要有中间过渡的零电压输出。在这样的规定下, 每相输出状态切换时只有2个器件开关状态发生改变, 其余器件仍保持原来的开关状态, 而且每相的每个电压输出状态都由相邻的开关器件导通。表1为三电平PWM变换器U相输出状态变化时各开关器件的开关状态表 (表1中, “-”表示关断, “+”表示导通) , V、W相输出状态变化时各开关器件的开关状态与此类似。

3系统特点

(1) 采用三电平PWM变换器调速可实现功率双向流动功能, 便于四象限运行。

(2) 采用三电平PWM变换器调速可实现系统再生能量向电网回馈功能, 节电率达20%～30%。

(3) 采用三电平PWM变换器调速具有谐波含量小、开关频率低、开关损耗少、器件应力小、系统效率高等优点。

(4) 全控双馈变频调速系统设有微处理器, 整个控制功能与调速算法由软件完成, 调速控制精度高, 工作稳定性好。

(5) 全控双馈变频调速系统控制调速时, 能够独立调节定子侧无功功率, 改善系统的功率因数, 功率因数大于0.98。

(6) 三电平PWM变换器工作在整流状态时, 可在直流输出电压可控的基础上, 实现网侧功率因数可调节功能。

4改造后的技术指标及效益

(1) 全控双馈变频调速系统维护工作量小, 操作简便、灵活、可靠、运行效率高, 同时降低了司机的工作强度, 极大地提高了劳动生产率。

(2) 全控双馈变频调速系统通过软件实现了原系统中所有的控制功能, 留有自动化接口, 提高了整个系统的可靠性、稳定性、扩展能力和控制性能指标。

(3) 全控双馈变频调速系统运行平稳、无明显振动和噪音, 最大提升速度达到6.9 m/s, 加、减速度均为0.75 m/s2, 爬行速度为0.5 m/s, 爬行距离为3 m, 满足提升机速度图和力图的要求。

(4) 全控双馈变频调速系统的各种电气设备、线路符合设计规范和相关电工行业质量标准, 各项运行参数达到设计要求, 满足提升系统性能指标, 实现了安全运行。

(5) 安全保护满足《煤矿安全规程》 (2006) 所规定的保护要求及双线制要求。

(6) 箕斗及卸载曲轨维护量大为减少, 降低了维护费用, 提升能力得到改善。

(7) 吨煤节电达30%, 即吨煤可节电0.67度, 年节电67万度, 年节约电费33.6万元。

5结语

新陆煤矿采用全控双馈变频调速系统后, 主井提升机运转效果良好, 不仅解决了原电控系统存在的问题, 而且系统运行经济、稳定、安全可靠, 为高压交流提升机转子串电阻调速系统的更新改造提供了借鉴经验。

参考文献

[1]孙树朴.半导体变流技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1999.

矿井提升机调速系统 第9篇

关键词：提升机系统,双馈,三电平,变频调速

1 引言

目前, 我国的煤矿企业中应用的提升系统主要有直流调速和交流调速两大类, 据统计, 大功率绕线式异步电机和直流电机拖动系统在整个矿山提升系统中占有近90%的比例, 而这两种提升系统中, 绕线式异步电机又占近70%, 而且采用的是转子串电阻调速, 这种调速方式的控制性能不够理想, 耗能高, 效率非常低, 大部分功率被转换成热能而消耗掉, 这对于能源是一种巨大的浪费。随着现代电力电子技术向高频、高效 (低开关损耗) 、高功率因数、高功率密度 (组合集成化) 和高压大功率方向的迅猛发展, 特别是交流传动矢量控制 (VC) 与直接转矩控制 (DTC) 理论的出现及成熟应用, 使得高压大功率绕线异步电机转子双馈变频调速成为可能。

2 提升机与双馈调速

2.1转子双馈调速

所谓“双馈”, 就是指把绕线转子异步电动机的定子绕组和转子绕组分别与交流电网或其他含电动势的电路相连接, 使它们可以进行电功率的相互传递。异步电动机由电网供电并以电动状态运行时, 它从电网输入 (馈入) 电功率, 而在其轴上输出机械功率给负载, 以拖动负载运行;当电机以发电状态运行时, 它被拖着运转, 从轴上输入机械功率, 经机电能量变换后以电功率的形式从定子侧输出 (馈出) 到电网。

在双馈调速工作时, 将定、转子三相绕组分别接入两个独立的三相对称电源:定子绕组接入50Hz的工频电源;转子绕组接入频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的交流电源, 采用交—直—交变频器给转子绕组供电。

3 双三电平变频器

在进行双馈调速系统的设计时采用背靠背双三电平的拓扑结构, 如图1所示。鉴于矿井提升机双馈调速系统的实际需要, 系统采用了三电平整流器作为有源前端, 在提供稳定直流电压的同时, 可对网侧功率因数和谐波进行调节和补偿, 以减轻系统对电网的“污染”, 实现“绿色”变频, 逆变器的目标则是实现高性能的电机动态响应。与以往采用二极管不可控整流作为前端的变频器相比, 方便地实现了变频器能量的双向流动。

在实现能量双向流动的同时可获得比两电平结构优异的多的性能指标, 在相同的输出电压等级的情况下, 二极管箝位三电平结构功率器件的电压等级仅为两电平的一半, 大大减轻了, 降低了功率器件和电机绝缘承受的电压应力, 减小了变频器系统的电磁干扰 (EMI) , 在获取相同的系统指标的同时二极管箝位三电平仅需两电平开关频率的一半, 这就减小系统的开关损耗, 同时背靠背拓扑利于功率系统结构化设计, 利于维护, 使系统可靠性大大增强。

为了使变频器具有优良的技术性能, 需要与之相配合的控制方法。交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场, 从而产生恒定的电磁转矩。如果对准这一目标, 把逆变器和交流电动机视为一体, 按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作, 效果应该更好, 这种控制方法称作磁链跟踪控制, 磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的, 所以又称“电压空间矢量PWM (SVPWM, Space Vector PWM) 控制”。

4 变频调速系统硬件电路选型设计

鉴于矿井提升系统对于整个煤矿的重要性和它在矿井日常的生产活动中所处的重要地位, 保证矿井提升系统的安全性和可靠性是至关重要的。在保证了安全、可靠的前提下, 进一步去考虑整个系统的生产效率和它的经济性。为确保整个系统能够达到安全、可靠、经济、高效的运行, 设计的硬件系统主体结构如图2所示。

整个矿山供电系统的母线电压选用10k V电压等级, 该母线是上级电网两回路供电, 确保供电系统的可靠性。选择高压开关柜作为供电系统中接受和分配电能的装置, 要具有可靠性和实用性, 选择国产的户内金属铠装中置移开式开关柜KYN28A-12符合系统的需要。

为了能够使绕线异步电动机在四象限运行, 需要在整个变频调速系统中, 在绕线电机的定子端接高压真空换向柜, 通过换向柜来改变电机的正、反转, 使满足四象限运行的条件, 高压真空换向柜的可靠性对于整个系统的可靠运行也尤为重要。随着科技的不断进步, 新的高压真空换向柜产品也在不断出现, ZHXD (P) 系列高压真空换向柜就是其中一种。它的性能优越, 是新一代矿井提升机专用控制设备。

根据系统中异步电动机的参数完成主回路的参数计算, 依据计算数据可选择相应的器件模块, 组成两台变流柜 (一台整流柜, 一台逆变柜) , 整流柜将交流电变换成三相直流电, 同时起到能量双向回馈的作用, 逆变柜则将直流电变换成三相交流电, 也具有能量双向回馈, 从而构建成三电平变频调速系统, 完成整个双馈转子变频调速系统的设计。

5 结语