GBP-H高壓變頻電控技術(shù)在孟莊煤礦副井斜巷提升中的應(yīng)用

黃東

概述

孟莊煤礦副井提升系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，通過對(duì)其電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠、高效，取得了良好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

孟莊煤礦副井提升機(jī)型號(hào)為XKT1×2×1.5B-20單滾筒纏繞式提升機(jī)；拖動(dòng)設(shè)備選用JRQ148-8?型電機(jī)，單機(jī)拖動(dòng)。于2009年進(jìn)行過技術(shù)改造，電控系統(tǒng)更換GBP-H高壓變頻控制，進(jìn)一步提高了電控系統(tǒng)的控制性能和可靠性。

一、?原電控系統(tǒng)概況及存在的問題

孟莊煤礦副井提升機(jī)原電控系統(tǒng)為TKD型，存在的最主要問題是：

①提升機(jī)在減速和爬行階段的速度控制性能差，經(jīng)常造成停車位置不準(zhǔn)確；

②提升機(jī)頻繁的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)，在轉(zhuǎn)子外電路所串金屬電阻上產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗，消耗電能造成能源浪費(fèi)，金屬電阻發(fā)熱嚴(yán)重導(dǎo)致工作環(huán)境溫度升高，設(shè)備老化加快。

③系統(tǒng)功率因數(shù)低，電阻分級(jí)切換，采用有級(jí)調(diào)速，啟動(dòng)電流及切換電流沖擊大，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，引起電氣及機(jī)械沖擊；容易掉道，故障率高；

④控制線路復(fù)雜，工作穩(wěn)定性和可靠性差，缺乏故障診斷功能，排查故障困難，接觸器頻繁投切，電弧燒傷觸點(diǎn)，影響接觸器的壽命，設(shè)備維修成本較高；

⑤?該系統(tǒng)的電氣控制部分均采用板式結(jié)構(gòu)、高壓接觸器室，空間體積大、運(yùn)行噪聲高，且所有接線端柱裸露在外，對(duì)運(yùn)行安全造成極大的威脅。

⑥整個(gè)控制過程完全依賴工作人員的主觀控制，存在安全隱患。

二、 ?技術(shù)改造原則與方案

2.1?技術(shù)改造總原則

目前，國內(nèi)礦用提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩種。

以晶閘管整流設(shè)備為基礎(chǔ)的直流調(diào)速系統(tǒng)的諧波污染嚴(yán)重，功率因數(shù)低，如采用直流調(diào)速系統(tǒng)，需將現(xiàn)有提升電機(jī)更換為直流電機(jī)，相應(yīng)增加改造成本，而直流電機(jī)較交流電機(jī)故障率高，維護(hù)工作量大且費(fèi)用高。因此，對(duì)電控調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)不建議采用直流調(diào)速系統(tǒng)。

以高壓變頻器結(jié)合PLC為核心的交流調(diào)速技術(shù)已比較成熟且在部分單位取得了較好的運(yùn)行效果，可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、牽引、電制動(dòng)等功能，完全滿足提升所需要的四象限運(yùn)行的負(fù)載調(diào)速需要。

最后決定采用GBP-H高壓變頻器交流控制方案。

2.2?技術(shù)改造方案

技術(shù)改造方案具體內(nèi)容為：將原有的轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式改為變頻變壓的調(diào)速方式，采用專用高壓變頻器實(shí)現(xiàn)。

首先，為保證供電可靠性更換兩臺(tái)電源柜，采用了森源的V-12型斷路器、和南自的電機(jī)綜合保護(hù)器，為新電控的安全運(yùn)行又增加了安全保障。

然后，將原電控拆除換成了GBP-H高壓變頻設(shè)備，GBP-H高壓變頻調(diào)速柜由移相隔離變壓器柜、功率單元柜和控制柜三部分組成。變頻器采用先進(jìn)的功率單元串聯(lián)疊波技術(shù)、矢量控制技術(shù)、有源逆變能量回饋技術(shù)，可靠性高、性能優(yōu)越、操作簡(jiǎn)便?？蓪?shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行、帶能量反饋、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、低速運(yùn)行轉(zhuǎn)矩大的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)特性。

三、工作原理

3.1主電路

GBP系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關(guān)元件為IGBT。GBP系列變頻器采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用當(dāng)今變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。

變壓器原邊輸入為變頻器相應(yīng)電壓等級(jí)電壓，Y形接法；副邊繞組數(shù)量依變頻器電壓等級(jí)及整機(jī)結(jié)構(gòu)而定，采用延邊三角形接法，為每個(gè)功率單元提供三相電源輸入。

為了最大限度地抑制輸入側(cè)諧波含量，同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相，繞組間的相位差由下式計(jì)算：

60o

移相角度= ——————

每相單元數(shù)

由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流，所以GBP系列變頻器輸入電流的總諧波含量（THD）遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)。圖3.1.1為6kV系列（每相六單元串聯(lián)）輸入電流實(shí)錄波形，幾近完美的正弦波。

圖3.1.1輸入電流波形

變頻器輸出是將多個(gè)三相輸入、單相輸出的低壓功率單元串聯(lián)疊波得到，表1列出了GBP系列變頻器功率單元配置。

表1：GBP-H系列變頻器功率單元配置

相輸出Y接，中性點(diǎn)懸浮，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的可變頻三相高壓電源。圖3.1.2為6kV變頻器系列的電壓疊加示意圖。

圖3.1.2 GBP-H-6kV電壓疊加圖

圖3.1.2為六個(gè)580VAC功率單元串聯(lián)時(shí)，每個(gè)功率單元輸出的電壓波形及其串聯(lián)后輸出的相電壓波形示意圖，可以得到﹢6～0～-6共13個(gè)不同的電平。增加電平的同時(shí)，每個(gè)電平的電壓值大為降低，從而減小了dv/dt對(duì)電機(jī)絕緣的破壞，并大大削弱了輸出電壓的諧波含量，圖3.1.3為6kV六單元變頻器輸出的Uab線電壓波形實(shí)錄圖。因?yàn)殡姍C(jī)電感的濾波效果，輸出電流波形更優(yōu)于電壓波形，圖3.1.4即為輸出電流Ia的實(shí)錄波形圖。電壓等級(jí)數(shù)量的增加，大大改善了變頻器的輸出性能，輸出波形幾乎接近正弦波。

圖3.1.3 輸出線電壓波形

圖3.1.4 輸出電流波形

3.2功率單元

四象限功率單元，原理圖見圖3.2.1，采用通過光纖接收信號(hào)，正弦波脈寬調(diào)制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出單相脈寬調(diào)制波形。每個(gè)單元僅有三種可能的輸出電壓狀態(tài)，當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為1；當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為-1；當(dāng)Q1和Q2或者Q3和Q4導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為0。輸出電壓波形見圖3.1.3。

圖3.2.1GBP-H系列功率單元主電路圖

四象限功率單元與單相限功率單元相比，主要是整流部分的結(jié)構(gòu)組成和原理有所不同，輸入電源端R、S、T接電抗器三相輸出端，電抗器三相輸入接變壓器二次線圈的三相低壓輸出，整流部分既可以為直流環(huán)節(jié)提供電能，又可以將直流環(huán)節(jié)多余的電能輸送到電網(wǎng)。

3.3控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制器、PLC控制盤和人機(jī)界面組成。

控制器由三塊光纖板，一塊信號(hào)板，一塊主控板，一塊從控板，一塊電源板和一塊母板組成。光纖板通過光纖線與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發(fā)出脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)或工作模式。單元通過光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號(hào)，并在故障時(shí)向光纖板發(fā)出故障代碼信號(hào)。

信號(hào)板采集變頻器的輸入輸出電壓、電流信號(hào)，并將模擬信號(hào)隔離、濾波和量程轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)用于變頻器控制、保護(hù)，以及提供給主控板數(shù)據(jù)采集。

主從控制板采用DSP，完成對(duì)電機(jī)控制的所有功能，運(yùn)用正弦波壓頻控制方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令。通過RS232通訊口與人機(jī)界面主控板進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，提供變頻器的狀態(tài)參數(shù)，并接受來自人機(jī)界面主控板的參數(shù)設(shè)置。

人機(jī)界面為用戶提供友好的操作界面，負(fù)責(zé)信息處理和與外部的通訊聯(lián)系，采用了上位機(jī)監(jiān)控而實(shí)現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡(luò)化控制，利用上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)PLC程序更改、運(yùn)行過程監(jiān)控。通過主控板和PLC控制盤通訊來的數(shù)據(jù)，計(jì)算出電流、電壓、運(yùn)行頻率等運(yùn)行參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過載、過流告警和保護(hù)。

PLC控制盤用于變頻器內(nèi)部開關(guān)信號(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的邏輯處理，增強(qiáng)了變頻器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的靈活性。

四、性能分析

⑴充分發(fā)揮了PLC的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化及計(jì)算功能，使提升機(jī)具有更完善的軟硬件保護(hù)功能，各主要保護(hù)實(shí)現(xiàn)雙線制。

⑵生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高能，可靠的按系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最短時(shí)間加、減速，顯著縮短了一次提升時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

⑶提高了功率因數(shù)，降低了無功功率。由于采用了先進(jìn)的隔離移相變壓器技術(shù)和電壓源型IGBT?逆變技術(shù)，在克服了傳統(tǒng)變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾的同時(shí)，主傳動(dòng)系統(tǒng)的功率因數(shù)將由目前的0.89?提高到0.97?以上，大大提高了設(shè)備對(duì)電網(wǎng)容量資源的利用率，減少了因無功電流引起的線路損耗。

⑷提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性。由于電壓和頻率均連續(xù)可調(diào)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流可得到有效控制，轉(zhuǎn)矩沖擊不再存在，明顯地減少原有的有級(jí)調(diào)速系統(tǒng)容易出現(xiàn)的齒輪箱等設(shè)備的機(jī)械故障。

⑸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化提升，單元串聯(lián)脈寬調(diào)制疊波輸出，輸出波形幾近完美的正弦波，不會(huì)因?yàn)橹C波力矩而降低設(shè)備使用壽命。提升機(jī)系統(tǒng)安全得以提高，系統(tǒng)能自動(dòng)高精度地按設(shè)計(jì)的提升速度圖控制提升速度，極大地降低了提升機(jī)的操縱難度；減速時(shí)電力制動(dòng)自動(dòng)減速，提升機(jī)司機(jī)無需再用施閘手段控制提升機(jī)減速，自動(dòng)減速和停車，避免了減速、過卷事故的發(fā)生，消除了安全隱患。

五、效果

改造后，新電控系統(tǒng)的安全性能符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，高壓變頻技術(shù)具有良好的節(jié)能效果，調(diào)速平穩(wěn)，高效安全，自2009年5月3日投入運(yùn)行至今，一直運(yùn)行良好，未發(fā)生一起電氣安全事故，為礦山的安全穩(wěn)定提供了有力保證。

新的GBP-H高壓變頻器交流控制系統(tǒng)，四象限功率單元整流部分獨(dú)特的結(jié)構(gòu)組成和原理，提升機(jī)上提重物時(shí)整流部分可以為直流環(huán)節(jié)提供電能，提升機(jī)下放重物時(shí)又可以將直流環(huán)節(jié)多余的電能輸送到電網(wǎng)，節(jié)能十分顯著，經(jīng)測(cè)算節(jié)能30％以上，節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益巨大，值得普及推廣。

作者簡(jiǎn)介：黃東（1973.11.08），男，漢族，安徽淮北人。皖北煤電孟莊煤礦助理工程師、副科長，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化及應(yīng)用。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。