矿井提升机调速和控制系统的发展.pdf

第 7期 2 0 0 9 年 7月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a nd M i ne Au t oma t i on NO ． 7 J u 1 ．2 0 0 9 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 7 0 1 2 1 0 5 矿井提升机调速和控制系统的发展 何 晓群 开滦集团有限责任公司 ， 河北 唐 山0 6 3 0 0 0 摘要 文章首先介绍了国内矿井提升机调速和控制 系统的发展状况， 指 出“ 绕线电动机转子回路 串电阻” 这一 广泛被采 用的调 速 方式 即将被 淘汰 ， 而 由变频 器和 P L C构成 的提 升机调 速控 制 系统则是 一种 比较 理 想 的 系统 ； 接 着分析 了各 类 高压 变频 器 的性 能 ， 指 出 中点箝位 三 电平 变频 器适 用 于提 升机 的调 速 控 制 ； 最后 详 细 阐述 了基 于 中点箝位 三 电平拓 扑结构 的 转子双馈 变频调 速 系统 、 同步 电动 机机 双 三 电平 变频调 速 系统和 鼠笼 电动机 双 三电平 变频调 速 系统 ， 并指 出 了这 3大变频调 速 系统的 最佳应 用 场合 。 关键词 矿井提升机；交～直一交变频器；变频调速 ；三电平；双馈电动机 ；同步电动机 ；鼠笼电动机 中图分 类号 T D 6 3 3 文献 标识 码 A 收稿日 期 2 o o 9 一o 5 2 2 0 引言 作者简介 何晓群 。 一 ， 男， 湖南宁远县人， 工学博士． 教授 作 为矿 山咽 喉设 备 的 矿井 提 升机 ， 对 矿 山 的高 N N I , 专 效 、 安 全 生 产 与 经 济 运 营 具 有 极 其 重 要 的 作 用 。 它 任 开 滦 集 团 副 总 工 程 师 ，主要从事 矿山机 电、 信息 化 、 自动化 方面的 ⋯⋯⋯ 一⋯ ⋯⋯⋯～⋯⋯⋯ 一 管理 工作， 已 发表文章十 余篇。 不仅装机容量大、 耗能高， 而且作为一个典型的位势 差 3 O mm、 水 平偏差 8 O mm， 巷道 成形 效果 好 。 现场使用表明， 具有智能型恒功率 自动成形截 割控制系统 的 E B Z 2 0 0型掘进机 自动化程度高 ， 操 作简单 ， 断面成形质量好， 掘进效率 高， 并且具有恒 功率截割控制功能， 能适应井下的复杂环境 ， 有效地 减轻工人劳动强度， 延长设备使用寿命 。 4结 论 具有智 能型 自动成形恒 功率截割控制系统的 E B Z 2 0 0型掘进机 ， 创新地解 决 了掘进机 由于煤 尘 问题影 响掘进 质 量 、 由于煤 层 硬 度 的 变 化影 响掘 进 机寿命 的问题， 具有以下特点 1 掘进机能够 自动作业 ， 工人 的劳动强度得 到大 幅度减 轻 ， 工 作环 境得 到 了有 效改 善 ， 一线工 人 的安 全程度 得 到提高 。 2 该智能型 自动成形恒功率截割控制系统能 够按照设定要求使巷道断面 自动成形 ， 巷道质量得 到显著提高， 并可遥控和远程控制掘进机， 实现了掘 进 自动化 。 3 截 割悬 臂 能 够 根 据 煤 质 硬 度 的 变化 ， 自动 调节截割速度 ， 使掘进机截割电动机基本处于恒功 率工作状态 ， 提高了截割电动机的利用率， 延长了其 使用寿命 。 综上所述 ， 该智能型 自动成形恒功率截割控制 系统实现了远程在线监视、 诊断与控制功能， 使操作 人 员远 离工作 面迎 头 ， 减 少 了人员 伤害事 故 ， 对 实现 安全高效 自动化巷道掘进具有一定的现实意义 。 参考文献 宁仲 良， 陈加胜． 悬臂 式 掘进 机 智 能化 发展 方 向初 探 E J ] ． 矿山机械 ， 2 0 0 6 ， 6 3 4 3 4 ～3 5 ． W ANG Da o - bi n， CHAI Yi ， LI NG Ru i 。 et a 1 ． Re s e a r c h o n Aut o ma t i c Bo om- t y pe Roa d he a d e r P r o f i l i n g[ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e 7 t h Wo r l d C o n g r e s s o n I n t e l l i g e nt Con t r o l a nd Aut o ma t i on， 20 08， Cho ngq i ng． 项阳 ， 陈楠 ， 胡应曦 ， 等． 悬臂式掘进机摆动机构 分 析与研究E J ] ． 煤矿机电 ， 2 0 0 1 3 4 ～6 ， 1 1 ． 田劫 ， 汪胜陆 ， 张立涛 ， 等． 悬臂掘进机巷道断 面 自动 成形控制 运动 学分 析I- J ] ． 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电网的冲击 均很 大 。国家 在 2 0 O 8 年 3月颁 布的 第 二批 井 工淘 汰设 备 目录 中 ， 已明令禁 止使 用 TK D类 型 的提 升 设备电控系统 。 而将变频 调速技 术 、 P L C技术 融 入提 升机 电控 系统 ， 可使提升机电控结构简单 ， 节省大量的交流接 触 器 、 时间继 电器 、 中 间继 电器 及过 电流继 电器 ， 从 而大大提 高提升机 的可靠性 、 可控性 和安全性 ； 采取 适当的变频器拓扑结构 ， 可在提升电动机工作在发 电状 态时 ， 将 电能 回馈 给 电 网 ， 大 大节 约 了 电能 ； 有 很好 的调速特 性 ， 过渡 过程 平 稳 ， 且 速 度 连续 可 调 ， 机 械冲击小 。这是一种 比较理 想 的提升 机调速 控制 系统 。下文将 对各类 变频器进 行分析 。 2各类大功 率变频器 的分析 大功率变频器 以耐压高、 大电流 的功率器件为 基础 ， 以微 电子控制技 术为核心 ， 将 固定 频率和 固定 幅值电源变成变频变压电源。 目前， 世界上高压变 频器不像低压变频器那样具有成熟一致性的电路拓 扑结构 ， 而是限于功率开关器件的耐压值和高压使 用条件之间的矛盾 ， 国内外各高压变频器生产厂商 采 用不 同的功率 器件 和 主 电路 拓 扑结 构 ， 以适 应 各 种应用场合的需要。 高压变频器以有无中间直流环节为划分标准可 分为 2 类 无直流环节的交一交变频器和有直流环 节的交 一直 一交 变频器 。 2 ． 1 交 一 交 变 频 器 交 一交变频 器可分 为相控交 一交变 频器和矩 阵 变换器 。 交 一交 变频 器的优 点 ] 1 因为 是直 接 变 换 ， 故 比一般 的变频 器 效 率 更 高 ； 2 由于其 交流输 出电压 直接 由交 流输 入 电压 波的某些部分包络所构成， 因而当其输出频率 比交 流输入电源的频率低得多时， 输出波形较好； 3 变频 器按 电流 过 零 自然 换 相 ， 可 采用 普 通 晶闸管 。 交 一交变频 器 的缺 点_ 6 ] 1 电路 构成方 式要求其 具有较 多 的晶闸管 ； 2 功率因数低 ， 特别是低速运行时更低， 需要 适 当补偿 ； 3 对 电 网谐 波 污 染 严 重 ， 需 要 专 门的谐 波 治 理装置 。 由于交一交变频器存在上述缺点 ， 因此 ， 目前国 内外厂商都不把交一交变频作为主推的交流电动机 调 速方 式 。 2 ． 2交 一 直 一 交 变 频 器 随着交一直 一交功率变换拓扑控制策略的成熟 以及高压大功率全控器件进入商品化时代 ， 性能更 为优异的交一直 一交大功率中高压变频器作为交一 交变频器的替代者开始登上变频传动的舞台并迅速 确立 了其主导 位置 。 目前 ， 单个 功率 开关 器 件 的 耐压 尚满足 不 了高 压变频器的需要 ， 为解决这个难题 ， 人们从拓扑结构 考虑 ， 设 计 了一些 电路 拓扑结 构 ， 主要 分为 以下 几种 1 功率器件 串联二 电平直接高压变频器 ； 2 采用 L V I G B T 的 单 元 串 联 多 电平 变 频 器 ； 3 采用I G C T或 HVI G B T 的三 电平变频 器 。 2 ． 2 ． 1 功率器件串联二电平直接高压变频器 为了 直接 变换 高压 ， 最 初 选择 的是 多 管 串联 的 二电平主电路拓扑结构 。该电路结构的优点是可利 2 0 0 9年 第 7 期 何 晓群 矿 井提 升机 调速 和控 制 系统 的发展 1 2 3 用较为成熟的低压变频器 电路拓扑结构 、 控制策略 和控 制方法 ； 其 缺点 是 串联 开 关 管 需要 动 态 均 压 和 静态均压 ， 均压电路使系统复杂化 、 损耗增加、 效率 下降。同时 ， 为使 串联器件 同时导通 和关断 ， 对 驱 动 、 控制电路的要求也大大提高 ； 器件开关引起过高 的电压变 化率 和浪涌 电压 ， 会破坏 电动机绕 组绝缘 ； 高频操作要求功率元件大幅度降额使用 ， 使元件的 利用率降低。因此 ， 这种电路结构存在着严重缺陷， 其出现仅仅体现了人们对 中、 高压变频技术研究 的 历程 。 2 ． 2 ． 2 单元 串联 多电平 变频器 单 元 串联 多 电平 变频 器是 最早 出现 的一种 多 电 平变频器_ 】 叫 ， 主要用于高压 电动机驱动 、 大功率 电源 、 大 功率 有源 滤波器 等场合 。 单元串联多电平变频器具有以下优点 1 无 需均 衡 电容 电 压 ， 各 隔 离 直 流 单元 是 相 对独立 的 ， 只要各 直流 电源 的容量 足够 大 ， 则无 需特 别控制 ； 2 由于没有 电容和钳位二极管 的限制 ， 级联 结构 的电平数 可较 大 ， 因而 可提供更 高 电压 ， 实 现更 低谐波 ； 对于提升机控制系统来说 ， 单元 串联 多电平变 频器虽然解决 了用低压器件来控制高压电动机的难 题 ， 但 也 引入 了新 的 问题 1 单元串联多电平变频器需要大量的隔离电 源。采用蓄电池供电的场合可部分解决这个问题 ， 但又带 来 蓄电池 充放 电不 平衡 问题 。为 了兼顾 隔 离 电源及 系统 接人 侧谐 波 含 量 指标 ， 可采 用 移 相 变压 器。但移相变压器制造工艺复杂 、 成本高、 体积大 ， 在 电网不平衡 情 况下 铜 损 大 大增 加 ， 再 加 上 其 固有 损耗 ， 使 得 系统效 率较低 。 2 使用的功率器件及电力器件数量极多 ， 增 加 了系统故 障点 ， 对 于需 要 稳 定 而且 连 续 运 行 的矿 井提升机来说并不合适 。另外 ， 由于其前端一般都 采用不 可控 整流 ， 如 对 每个 独 立 的 直流 电源 配 置前 端全控整流， 则系统所用功率器件和传感器数量将 会急剧增加 ， 可靠性将大幅降低 。同时 由于其拓扑 结构问题 ， 较难实现高性能矢量控制。目前， 单元串 联多电平变频 器大多应用 于对调 速要求不高 的风 机、 水泵等应用场合。 2 ． 2 ． 3 中点箝位三电平变频器 三 电平 电压 源型变频 器 也叫 中点箝 位三 电平变 频器 ， 它的出现为高压大容量 电压 型逆变器的研制 开辟了一条新思路 中点箝位 三 电平 变 频 器 不仅 能 用 于 风机 、 泵 的 节能调速 ， 还能应用于需快速响应 的工况。区别 于 二电平变频器 ， 中点箝位 三电平变频器每个桥臂 可 输 出 、 0 、 一这 3个 电平 ， 对 于 同 样 的直 流 母 线 电 压 ， 三 电 平 变 频 器 中 功 率 器 件 承 受 的 电 压 只 有 二电平变频器的一半， 即直流母线 电压的一半， 避免 了功率器件直接 串联带来 的弊端。由于相 电压 有 3种电平状态 ， 比传 统的二电平变 频器多了 1 个 电 平 ， 其谐波水平明显低于二电平变频器 ， 当输出相同 质量的电流波形时 ， 其开关频率可 以降低到二 电平 的 1 ／ 4 [ ～ 。 中点箝位三 电平变频器具有 以下优点 1 通过 中点箝位来实现开关器件的串联 ， 比 二电平变频器的线路输出电压提高 1倍 ； 2 输出电平 为、 0和一， 改 善了输出波形， 减少 了谐 波 ； 3 前端可控整流，实现了单位功率 因数控制 和再生能量 向电网的回馈功能 ； 4 电压型变频， 中间直流储能元件为电容器， 效率高； 滤波电容可用高压聚丙稀薄膜电容， 寿命将 远大 于 电解 电容 ； 5 主 电 路 比 H 桥 级 联 电 路 简 单 、 器 件 数 量 少， 从输入变压器到逆变桥， 线路结构均比级联方式 简单 ； 6 允许公用直流母线 ， 装置可靠耐用。 尽管 中点 箝位 三 电平 变频 器存 在 电磁 干扰 相对 较大及脉宽问题l 1 叫 ， 但其电压利用率高， 因此 ， 中 点箝位三电平变频器非常适用于高性能提升机调速 系统 中 ， 易于实 现矢 量控 制和直 接转 矩控 制 。 3 双 三 电平拓 扑 结构下 3种 变频调 速 系统 通过 上 述 对 变 频 器 的分 析 可 知 ， 中 点 箝 位 三电平变频器最适合应用于矿井提升机系统的调速 控制 。 采 用 先 进 的 背 靠 背 三 电平 二 极 管 钳 位 拓 扑 结 构 ， 可大 大减轻 d u ／ d t 对 功 率 器 件 和 电 动 机绝 缘 的 影 响 ， 减 小 系 统 损 耗 。 双 三 电 平 拓 扑 结 构 采 用 三电平整流器作为有源前端 ， 与 以往采用二极管不 控整流作为前端的变频器相 比， 较易实现变频器能 量 的双 向流动 。 在控制方式上 ， 通过采用高性能矢量控制算法 ， 将功率变换装置和 电动机作 为整体考虑， 在实现高 性能调速的前提下， 可对 网侧功率因数 、 网侧谐波、 电动机定子侧功率 因数等系统关键指标进行调控， 1 2 4 工矿 自动化 2 0 0 9年 7月 最大程度上满足矿井提升系统运行的需要 ， 做到真 正意义上 的“ 绿 色变频” 。 针 对不 同 的应用 场合 和不 同的交 流 电动 机 ， 可 以采取 多种 形式 的变频方案 。 3 ． 1 双 三 电平 转子双馈 变频调速 系统 双三电平转子双馈变频调速系统是一种以中点 箝位三电平拓扑结构为基础的新型转子双馈变频调 速系统。该系统是徐州中矿大传动与自动化有限公 司针对国内矿山传统的交流提升机普遍采用的绕线 电动机转子 回路 串电阻调速 系统而 提 出的一 种兼顾 新 老系统 的改造方法 。 如 图 1 所 示 ， 双 三电平 转子 双 馈变 频调 速 系统 的电动机定 子 侧 直 接接 6 k V 高 压 ， 而 在 绕 线 电动 机转子侧引入全控功率变换单元 ， 通过控制转差功 率进行调速 ， 其中全控逆变单元用于提供与转子电 势同频率的变压变频电源， 全控整流单元在提供稳 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 ， 从而使 系 统对 电网 造成 的谐 波 影 响可 忽略不计 。 图 1 双 三 电平 转 子双 馈 变 频 调 速 系统 结 构 不 意 图 在 波形 质 量 上 ， 三 电 平 变 频 器 输 出相 电 压 为 九阶梯波 ， 与常规变 频器 电压 和 电流 相 比 ， 畸变率大 大减 小 ， 与 多重独立 直 流 电源 构成 的级联 型 拓 扑 的 高压变频器相比， 虽然实现的阶梯波层数较少 ， 但由 于变频器接 入点为 高 压 电动机 转 子 侧 ， 电压 等 级相 对较 低 通 常 6 0 0 0 V 等级 的 Mw 级绕线 电动机转 子 侧 电压 只有 8 0 0 1 0 0 0 V ， 这样 系统 的 d u ／ d t 和 波形畸变率对系统的影响将变得非常小 ， 且对于电 动机定子侧而言， 电流波形基本无畸变， 系统运行更 加安 全 、 可靠 。 从系 统完 备性 考虑 ， 大 功率 调 速应 用场 合往 往 是 工矿 企业 的 重 要 生 产 单 位 ， 矿 井 提 升 设 备 更 是 整个矿山的“ 咽喉要道” ， 一旦出现故障， 将会造成停 工、 停产， 给企业带来巨大损失 。采用三电平转子双 馈变频调速系统在节能的同时， 还可和原有系统互 为备用， 提高了系统冗余度和设备利用率， 最大程度 上满足了节省能源和节约资源以及安全连续生产的 需 要 。 3 ． 2 同步 电动机 双 三电平 变频 调速 系统 同步 电动机 的转速 是 由定 子电源频 率和极 对数 决定的， 同步电动机在固有频率下将恒速运转， 当负 载转矩加到同步电动机轴上时 ， 几乎是瞬时建立相 应的拖动转矩， 以维持电动机的稳定运行。又由于 在 同步 电动 机 中 ， 磁 场采 用 直 流励 磁 ， 因此 ， 允 许 电 动机在任何功率因数下工作。 同步 电动机 变频调 速系统 可分为直 接式变 频调 速系统和间接式变频调速系统。直接式交一交变频 调速 系统 随着 电力 电子技 术 的发展 已逐 渐退 出传 动 领域的历史舞台， 而交 一直一交变频调速系统在工 作原理、 特性及调速方式上类似于直流电动机系统， 与直流电动机系统相比具有效率高、 过载能力大 、 体 积小 、 转动惯量小 、 省维护等优点， 并且可以做到大 容量 、 高转速和高电压； 和异步电动机变频调速系统 相比， 其具有转子参数可测 、 定转子气隙大、 控制性 能好 等优点 ， 因此 ， 同步 电动机 变频调速 系统越 来越 受到国内外专家 学者 的广 泛重视 。同时， 国外 自 7 0年代以来 ， 交一直一交同步电动机变频调速 系统 在大容量、 高转速 、 高性能的可调速传动领域获得广 泛应 用 。对 于矿井 新 上 设备 ， 采 用 该方 法 可获 得 较 高 的性价 比 。电励 磁 同步 电动机 在变频 矢量调 速装 置的控制下 ， 作为提升机 的驱动源， 主 回路采用“ 背 靠背” 的双三电平交一直 一交结构 ， 其 中， 三电平的 有源前端采用 Yy O作为整流变压器 ； 逆变器侧则直 接接 至 电动 机定 子 ， 转 子 采用 直 流可 控励 磁 。 同步 电动 机双 三电平变 频调 速系统结 构如 图 2所示 。 图 2 l司步 电 动机 双 三 电平 变 频 调 速 系统 结 构 图 3 ． 3 鼠笼 电动机 双三 电平 变频 调速 系统 对于井下防爆变频调速系统 ， 譬如暗立井、 暗斜 井提升机等对 防爆要 求较 高的场合 ， 鼠笼 电动机 双三电平变频调速系统则是最佳选择。 首先 ， 鼠笼 电动 机具 有 笼 式转 子 ， 防 爆性 能 好 ， 而且 因为转 子 无 绕 组 ， 所 以 转 子 免 维 护 ， 可 靠 性 也 2 0 0 9年 第 7期 何 晓群 矿 井提 升机 调速 和控 制 系统 的发 展 1 2 5 高 ； 另 外 ， 它 可 以全封 闭 ， 所 以噪 音低 ； 环境 比如潮 湿， 煤尘等 对 电动机的影响也可以降低到最小。同 时， 鼠笼电动机不需要单独的励磁控制系统 ， 在系统 复杂 程度上 比同步 电动 机要 小很 多 。 针 对 矿 井 提 升机 的现 场 需 求， 鼠笼 电动 机 双三电平变频调速系统在控制方式上 ， 其前端采用 虚拟磁链技术 ， 在减少 电压传感器的同时， 减少了电 网冲击对整流单元的影响 。矢量控制部分采用全阶 磁链观测器， 并采用无速度传感器运行 ， 减少了现场 接线， 消除了测速机或者编码器故 障给矿井提升带 来的隐患。同时该系统还 实现 了软、 硬件双重保护 和双 P L C冗余 保 护 功 能 以及 上 位 机 专 家 白诊 断 功 能， 大大提高了矿井提升机 的安全运行水平 。鼠笼 电动机 双三 电平变频 调速 系统结 构 如 图 3所示 。 图 3 鼠笼电动机 双三电平变频调速 系统结构 图 4结语 本 文 针对 矿 井 提 升机 系 统对 可 靠性 、 系统 动 态 性能和 自诊断性能等要求较高的情况 ， 通过分析各 种变频器性能 ， 指出了中点箝位双三电平变频器是 最适用于矿井提升系统的拓扑结构， 详细阐述 了基 于双 三 电平 拓扑 的 3大变 频 调 速 系统 ， 即转 子 双馈 变频 调速 系统 、 同步 电动机 双 三 电平变 频 调 速 系 统 和鼠笼电动机双三电平变频调速系统 。 综上所述， 转子双馈变频调速系统是传统转子 串电阻矿井提升机改造最合适 的设备 ， 同步电动机 双 三 电平 变频调 速 系统则 是矿井 新上 设备 的理想 调 速 系统 ， 而针对 煤矿井 下 防爆应用 场 合 ， 鼠笼 电动机 双 三 电平 变频调 速 系统则 是不二 选择 。 参 考 文 献 [ 1] 黄 美 龙 ， 牟 其 峥 ， 俞 春 梅．十 字 路 口 的 徘 徊 2 0 0 7 年 中国能源产 品价 格分析 [ E B ／ OL ] ． 2 0 0 6 ～ 1 1～ 2 7 ．h t t p ／ ／ www． d o wn l o a d ． h e x u n ． c o m／ f t p ／ 2 0 0 6 ／ 2 0 0 6 1 2 O 4 1 3 O 3 5 8 9 O 8 ． 王正元 ， 赵争鸣 ， 李崇坚 ， 等，中国电动机系统能源效 率与市 场 潜 力 分 析 [ M] ．北 京 机 械 工业 出版 社 ， 2 001 ． 陈伯时． 电力 拖动 自动控 制系统 [ M] ．北京 机械 工 业 出 版 社 ． 2 0 0 4 ． 沈龙大 ， 沈达鹏． 高压变 频调速 技术 的现状 E J ] ． 变频 器世界． 2 0 0 4 6 5 ～8 ． 马 小 亮． 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