礦井提升機(jī)交-直-交變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

尹新華

（華陽(yáng)集團(tuán)七元煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

引言

我國(guó)較大的煤炭產(chǎn)量依賴(lài)于先進(jìn)的采煤機(jī)械，礦井提升機(jī)作為煤炭掘進(jìn)工作的重要輸送設(shè)備，其承擔(dān)著將煤炭從井下運(yùn)至地面的重任[1-3]。礦井提升機(jī)的負(fù)載位勢(shì)負(fù)載，為了保證其安全可靠啟停，需要有較大的調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)裝置的四象限平滑運(yùn)行[4]。礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)性能的好壞直接關(guān)系著煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效益和安全，必須引起高度重視[5]。交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，在調(diào)速性能、節(jié)能、“綠色”變頻等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景。因此，針對(duì)某煤礦企業(yè)礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的需求現(xiàn)狀，開(kāi)展交-直-交變頻器在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用具有重要的意義。

1 礦井提升機(jī)概述

某煤礦提升機(jī)的提升系統(tǒng)形式為多繩摩擦輪式結(jié)構(gòu)，提升效率約為0.6 Mt/年，提升行程約為740 m，井口軌面的標(biāo)高尺寸約為38.5 m，井底巷道軌面的標(biāo)高尺寸約為-702 m；礦井提升機(jī)的矸石提升量約為60 kt/年，材料量約為30 kt/年，提升機(jī)工作時(shí)的最大提升器件為液壓支架，提升質(zhì)量約為14.5 t，外形尺寸為5 869 mm×1 430 mm×1 700 mm；礦井提升機(jī)年平均工作時(shí)間為330 d，每天工作時(shí)間不少于16 h，執(zhí)行四班三運(yùn)轉(zhuǎn)模式。礦井提升機(jī)的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為T(mén)BP1000-16，屬于低速直聯(lián)變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)的額定功率為1 000 kW，額定轉(zhuǎn)速為50 r/min，提升過(guò)程中的安全系數(shù)為2，使用的額定電壓為1 140 V，冷卻方式采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。

2 交-直-交變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，其額定工作頻率為1 000 kW，要求變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)平滑調(diào)速功能。因此，結(jié)合礦井提升機(jī)的實(shí)際工況，選擇矢量控制形式，采用大功率三電平變換器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。礦用提升機(jī)的電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電網(wǎng)一側(cè)的電壓等級(jí)為6 kV，配置了高壓真空柜，以實(shí)現(xiàn)配電線路的保護(hù)與運(yùn)行的安全。礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)涉及進(jìn)線柜1臺(tái)，定子變壓器饋能柜1臺(tái)，輔助變壓器饋能柜1臺(tái)。

圖1 提升機(jī)三電平變頻控制系統(tǒng)

3 選型設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的依據(jù)為同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，再次確定同步電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)：額定功率為1 000 kW、額定電壓為1 140 V、額定電流為676 A、滿(mǎn)載勵(lì)磁電壓為70 V、滿(mǎn)載勵(lì)磁電流為490 A?；谏鲜鲭妱?dòng)機(jī)參數(shù)，開(kāi)展以下選型設(shè)計(jì)內(nèi)容。

3.1 變壓器容量

根據(jù)交-直-交變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的需求，參照直流母線電壓值，選擇設(shè)計(jì)整流側(cè)變壓器，確定變壓器的型號(hào)為1 250 kVA，變比為6 kV/1 000 V，能夠滿(mǎn)足礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于變壓器容量的要求。結(jié)合實(shí)際供電情況，變壓器選擇D/Y-11接線方式，有利于提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。

3.2 IGBT選型

變頻調(diào)速系統(tǒng)中的IGBT選型的依據(jù)包括負(fù)載的額定電流、過(guò)載倍數(shù)、直流母線電壓等，一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)按照2倍過(guò)載倍數(shù)計(jì)算。為了降低IGBT模塊的關(guān)斷電壓尖峰數(shù)值，實(shí)際應(yīng)用時(shí)多將變頻器的IGBT模塊和直流電容置于疊層母排位置。此處IGBT選擇Infineon公司生產(chǎn)的、型號(hào)為FF1400R17IP4的模塊，其額定電壓為1 700 V，額定電流為1 400 A。如圖2所示，給出了模塊的封裝結(jié)構(gòu)圖，其中涉及兩個(gè)IGBT串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個(gè)IGBT反并聯(lián)有續(xù)流二極管。與此同時(shí)，模塊內(nèi)部封裝有熱敏電阻，便于IGBT模塊內(nèi)部溫度的檢測(cè)。

圖2 IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)

3.3 整流側(cè)電抗器選型

變頻調(diào)速系統(tǒng)電網(wǎng)一側(cè)的電阻器能夠很好地抑制諧波，避免其影響電網(wǎng)正常供電，也能夠很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)電流瞬態(tài)跟蹤的性能要求。根據(jù)交直交變頻系統(tǒng)對(duì)于整流側(cè)電抗器的要求，選擇了L-0.7 mH的電抗器，其工作時(shí)的額定電壓為1 000 V。

3.4 直流母線電容選型

系統(tǒng)直流母線電容經(jīng)過(guò)RC放電一個(gè)時(shí)間常數(shù)之后電容儲(chǔ)存的電壓降低為原來(lái)的36.8%，則時(shí)間常數(shù)t=RC。根據(jù)變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求，電流內(nèi)環(huán)參數(shù)調(diào)節(jié)完成，電流需要在3～5個(gè)調(diào)節(jié)周期內(nèi)到達(dá)給定數(shù)值，外環(huán)電流響應(yīng)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，需要配置響應(yīng)的電感器才能保證其響應(yīng)性能。直流母線電容實(shí)際使用過(guò)程中，為了降低直流側(cè)電壓波動(dòng)和諧波，需要選取容量數(shù)值較大的電容，通常按照計(jì)算電容數(shù)值的3倍選擇電容，此處選擇3 707 μF的電容，滿(mǎn)足變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求。

3.5 檢測(cè)元件選型

礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)中三電平變頻器整流側(cè)選擇了可控整流模式，應(yīng)用雙閉環(huán)控制方法，電壓的外環(huán)完成直流母線電壓數(shù)值的調(diào)控，內(nèi)環(huán)用于控制電流，檢測(cè)系統(tǒng)電流的反饋信號(hào)，故而需要配置電流傳感器。結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)，可以依據(jù)進(jìn)線電流的1.5～2倍確定電流傳感器，選擇LF2005-S型電流傳感器即可滿(mǎn)足變頻控制系統(tǒng)的要求。

對(duì)比兩電平變頻器和三電平變頻器，直流側(cè)均存在上下兩個(gè)電容，變換器工作過(guò)程中，兩種換流回路各自對(duì)上下電容放電，很可能出現(xiàn)上下電容電壓不均的情況，必須引入中點(diǎn)電位平衡控制技術(shù)。電壓傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)上下電容電壓的監(jiān)測(cè)和電位平衡控制，電壓傳感器選型需要考慮直流母線電壓，結(jié)合調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際需求，確定選擇2個(gè)型號(hào)為T(mén)Y-LMDY-3-A-1000V的電壓傳感器和1個(gè)型號(hào)為DVL2000的電壓傳感器。

3.6 勵(lì)磁變壓器選型

礦井提升機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為同步電動(dòng)機(jī)，其工作時(shí)的額定勵(lì)磁電壓數(shù)值為70 V，額定勵(lì)磁電流數(shù)值為490 A，設(shè)計(jì)了可控硅整流電路為其提供電力。勵(lì)磁變壓器作為硅整流電路的電力來(lái)源，其性能直接關(guān)系著整個(gè)變頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須引起高度重視。結(jié)合實(shí)際變頻控制系統(tǒng)的需要，勵(lì)磁變壓器的容量選擇為250 kVA，選擇6 kV/0.3 kV的變比，接線方式為DY11。

3.7 充放電電阻選型

變頻調(diào)速系統(tǒng)中的三電平PWM整流電路，需要配置充電電阻以防止系統(tǒng)中過(guò)大的充電電流燒毀器件，由整流側(cè)變壓器二次側(cè)電壓設(shè)計(jì)值為1 000 V，要求此線路中的充電電阻能夠耐高于1 000 V的電壓。結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，選擇充電電阻的功率為200 W，阻值為50 Ω，同時(shí)，還選擇了功率為500 W，放電電阻為10 kΩ的放電電阻，以便合理控制放電時(shí)間。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證交-直-交變頻器在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用效果，將搭建完成的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用于礦井提升機(jī)中進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄運(yùn)行情況。結(jié)果表明，變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了礦井提升機(jī)變頻控制的要求。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，提升機(jī)配置變頻系統(tǒng)之后，達(dá)到了提升機(jī)重載高功率工作、輕載低功率工作的目的，大大降低了提升機(jī)的電能消耗，減緩了結(jié)構(gòu)件的磨損，減少了材料消耗，提高了提升機(jī)的有效利用率，節(jié)約了煤炭采掘成本，取得了很好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)語(yǔ)

礦井提升機(jī)作為煤炭掘進(jìn)過(guò)程中的關(guān)鍵輸送設(shè)備，其具有工作時(shí)間長(zhǎng)、服役條件差等特點(diǎn)，運(yùn)行能耗較大。針對(duì)某煤礦企業(yè)礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的需求現(xiàn)狀，開(kāi)展交-直-交變頻器在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用研究。結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了礦井提升機(jī)變頻控制的要求。變頻系統(tǒng)在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用，相較于應(yīng)用之前，重載高功率和輕載低功率模式下工作，大大降低了提升機(jī)的電能消耗，減緩了結(jié)構(gòu)件的磨損情況，減少了材料消耗，提高了提升機(jī)的有效利用率，節(jié)約了煤炭采掘成本，該變頻系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。