單元串聯(lián)多電平高壓變頻器在煤礦提升機(jī)中的應(yīng)用

張雪山

摘 要： 本論文闡述了大功率礦井提升機(jī)的一種新型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用單元串聯(lián)多電平高壓變頻技術(shù)，同時(shí)與可編程控制器進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的四象限控制，可滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： 單元串聯(lián);多電平;高壓變頻器;提升機(jī);應(yīng)用

【中圖分類號】TM921.51 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A ? ? 【文章編號】1674-3733（2020）21-0162-02

提升機(jī)是煤礦大型固定設(shè)備之一，其運(yùn)行的安全性將影響礦井的整體經(jīng)濟(jì)效益。榆樹嶺煤礦能力為120萬噸/年，副斜井坡度為25°，采用JK-3.5×2.5型單繩纏繞式提升機(jī)，滾筒直徑3.5m，滾筒寬度2.5m，配套電機(jī)功率為800kW。由于電機(jī)功率較大，電氣調(diào)速方式的選型對副井提升系統(tǒng)安全性起著至關(guān)重要的作用。目前，大功率電機(jī)調(diào)速方式分為直流斬波調(diào)速和交流變頻調(diào)速兩種方式。直流電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，日常維護(hù)量較大，減少提升機(jī)運(yùn)行時(shí)間，近幾年大功率電機(jī)已很少選擇。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較高的調(diào)速性能和節(jié)能效果，目前在多個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，是目前市場上應(yīng)用較多的交流調(diào)速方式，逐漸成為電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。近年來，高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)成為了相關(guān)行業(yè)的研究熱點(diǎn)，用低壓功率器件實(shí)現(xiàn)高壓變頻成為主流趨勢，能夠?yàn)閲夜?jié)約大量能源。本論文對比了不同高壓大功率變頻調(diào)速方式的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了單元串聯(lián)多電平四象限高壓變頻器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，確定采用北京合康生產(chǎn)的單元串聯(lián)多電平四象限高壓變頻器。

1 提升機(jī)工藝控制系統(tǒng)分析

榆樹嶺煤礦副斜井提升機(jī)控制系統(tǒng)操作臺采用雙PLC控制模式，其中一套為主控PLC系統(tǒng)，另一套為監(jiān)控PLC系統(tǒng)，兩套PLC系統(tǒng)彼此獨(dú)立運(yùn)行，可以通過DP/DP Coupler來實(shí)現(xiàn)通信，兩個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冗余控制監(jiān)視，具有較強(qiáng)的可靠性，在操作臺內(nèi)部設(shè)置遠(yuǎn)程分站，可用于控制信號的采集和操作臺聲光指示控制操作。另外，配以光電編碼器、霍爾傳感器作為數(shù)據(jù)采集單元，將模擬電壓通過PLC模擬量模塊輸出到變頻器作為核心的控制調(diào)速元件，構(gòu)成主要電氣設(shè)備驅(qū)動(dòng)回路。工藝控制系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)過程交換時(shí)，可以通過主控PLC和傳統(tǒng)系統(tǒng)的通信模塊總線來完成通信，通過采用這種模式可確保傳統(tǒng)系統(tǒng)功能工藝控制系統(tǒng)在通信過程中的可靠性，可編程控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

從該技術(shù)特點(diǎn)上來看，其最大優(yōu)勢為精確進(jìn)行行程控制，全方位提升機(jī)運(yùn)行保護(hù)以及系統(tǒng)的雙監(jiān)控模式，具體來看該工藝控制系統(tǒng)使用兩個(gè)增量編碼器，測量礦車在井筒中的位置，在電動(dòng)機(jī)滾筒，深度指示器上分別安裝一個(gè)編碼器，脈沖信號可以分別傳輸給監(jiān)控PLC計(jì)算模板和主控程序中，兩個(gè)子系統(tǒng)彼此獨(dú)立運(yùn)行，可計(jì)算提升機(jī)運(yùn)行速度。CPU通過共享獲取結(jié)果，能夠?qū)Y(jié)果進(jìn)行監(jiān)視，確保形成速度計(jì)算過程中的準(zhǔn)確度，同時(shí)該工藝控制系統(tǒng)能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)進(jìn)行過壓、過流保護(hù)，此外還能夠?qū)ΡP型制動(dòng)器的閘瓦間隙進(jìn)行在線監(jiān)測，因此能夠全面完成提升機(jī)運(yùn)行速度的監(jiān)視，一旦存在異常將會發(fā)出緊急停車信號，在對行程和礦車的速度監(jiān)視中，主要涉及一以下幾點(diǎn)：過卷保護(hù)、深度指示器失效保護(hù)、速度保護(hù)、等速段超速保護(hù)、錯(cuò)向保護(hù)。

2 高壓電動(dòng)機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)

10kV變頻器根據(jù)高壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，可將高壓變頻器分為直接高壓型變頻器及高低高型變壓器這兩種類型;根據(jù)中間是否有直流分為交-交變頻器和交-直-交變頻器，在交-直-交變換器中結(jié)合中間直流濾波分為電流源型和電壓源型逆變器;根據(jù)功率器件耐壓程度不同，高壓變頻在使用過程中可通過高低高方式形成即降壓變壓器輸入高壓將其降為低壓，低壓變頻技術(shù)應(yīng)用比較成熟，可實(shí)現(xiàn)變頻功能，經(jīng)過升壓變壓器將其轉(zhuǎn)為高壓進(jìn)行輸出，但高低高型變頻器前后兩級變壓器系統(tǒng)效率較低，且中間直流電流較大，可靠性相對較低。在交直交變頻控制系統(tǒng)，也可以采用多個(gè)低壓IGBT進(jìn)行串聯(lián)分壓，用這種方式可以采用低壓變頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制策略，在使用過程中檢修方便而且效率較高，但由于每個(gè)低壓IGBT特性不同導(dǎo)致開關(guān)時(shí)間不一致，因此該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)這兩種均壓問題。本論文中采用的高壓變頻系統(tǒng)是由移相變壓器、低壓功率單元、主控系統(tǒng)、I/O接口系統(tǒng)、人機(jī)接口單元組成，每一相主回路使用多個(gè)功率單元串聯(lián)作為高壓電機(jī)的其中一相驅(qū)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)輸出諧波含量較低，能夠使矩形波、電動(dòng)機(jī)噪聲降低，該結(jié)構(gòu)不存在IGBT動(dòng)、靜態(tài)均壓問題，相比直接串聯(lián)型高壓變頻器來說使用器件要多，每個(gè)功率單元單元通過三相二極管整流橋，能夠?qū)⒔涣髡髯優(yōu)橹绷?，再通過IGBT單向全橋逆變器，輸出單相交流電，通過串聯(lián)形成新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而為電動(dòng)機(jī)提供SPWM脈寬調(diào)制電源，每個(gè)低壓功率單元結(jié)構(gòu)如圖所示。

變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的控制。在功率單元輸入部位采用不可控二極管整流控制方式，通過濾波獲得較為穩(wěn)定的直流電壓，使用恒u/f及SPWM控制方式進(jìn)而對逆變橋IGBT的開通、關(guān)斷進(jìn)行控制。為減少對電動(dòng)機(jī)的危害程度，需要降低變頻器的輸出電流、電壓值，而目前這種控制方式包括載波移相PWM控制、多載波PWM控制、三電平逆變器載波PWM控制，對于高壓變頻系統(tǒng)來說通過使用載波移相PWM能夠?qū)φ{(diào)制波完成等比例分配，使用雙極性調(diào)制進(jìn)行變頻傳動(dòng)系統(tǒng)控制，載波周期為Tc，對變頻器同一輸出相上4個(gè)功率單元PWM信號，是由各自三角載波信號和調(diào)制波信號比較形成的，在時(shí)間差上相差1/4個(gè)周期，每個(gè)功率單元串聯(lián)多電平使用雙橋控制模式，能夠?qū)GBT進(jìn)行控制，形成單極性輸出電壓，隨功率變化載波周期和延遲時(shí)間也會產(chǎn)生變化。

3 提升機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)分析

該變頻調(diào)速系統(tǒng)自投入使用之后具有良好的運(yùn)行效果和可靠性，并且能夠提升系統(tǒng)的安全性能，提高了提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率，顯著節(jié)約30%電耗，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)系統(tǒng)對電網(wǎng)諧波污染程度較小，輸出的電壓、電流諧波含量相對較少，可實(shí)現(xiàn)正弦波輸出。該控制系統(tǒng)形成控制形成s型的曲線，能夠顯著提升控制精度，減小提升機(jī)啟動(dòng)和停車時(shí)對減速器齒輪的沖擊。

4 小結(jié)

在本研究中通過使用串聯(lián)多電平高壓變頻器在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，闡述了該系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行，可滿足設(shè)計(jì)需求。

參考文獻(xiàn)

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