变频节能技术在煤矿中的应用.doc

变频节能技术在煤矿中的应用 近几年来,变频节能技术兖州矿区的地面和井下提升、通风、采煤、 运输、 选煤等各种矿山设备控制系统得到了广泛的应用, 对国内同行 具有很好的参考价值。 1 在提升系统应用 1矿用提升机变频调速控制的特殊功能 兖州矿业 集团 公司南屯煤矿通过对矿用提升机变频调速控制的研 究,使其特殊功能得到正常应用,取得了良好的效果。 ①直流制动的作用。 当重车需在井筒中间停车时, 变频器由高速平滑 地降到低速, 随之施加一个直流制动信号使提升机停止, 机械制动起 作用后方可去掉直流制动信号,使重车靠机械抱闸的作用停在中间。 启动时先对电机施加一个直流制动信号, 当检测到机械抱闸打开方可 去掉直流制动信号,加上启动电压,提升机转动。机械抱闸抱紧状态 一直在变频器检测下, 一旦机械抱闸打开马上给电机施加直流制动信 号,确保避免重车 “ 溜勾 ” 现象。 ② S 形速度曲线。为减少运行的机械冲击,在变频器启动与停止过程 中最好做到加速度是连续的,即 S 形加、减速曲线。当井下及井口停 车倾角很小时,要求提升机运行速度很低,否则会出现 “ 松绳 ” 现象。 另外,井筒罐道要求变频器能以不同频率工作。根据现场情况,变频 器可设置 5个频率段主令控制器的不同位置对应不同的直流控制电 压,即对应不同的运行频率。 ③自动限速保护。 当运行接近终点时给出一个减速信号, 接到此减速 信号后, 如主令控制器已操作减速, 则变频器按主令控制器的操作改 变运行速度; 若收到减速信号后主令控制器没有正常操作, 则自动启 动机内的自动减速程序, 将变频器工作频率按预定要求逐步改变为低 速运行。这对于预防 “ 过卷 ” 是十分必要的。此外,当提升机带有测速 发电机给出超速信号时,变频器也能自动减速。 ④连锁开机功能。提升机开机须按给出命令操作。当给出 “ 上行 ” 或者 “ 下行 ” 命令的时候,如人员操作与命令不符,连锁功能就对此操作不 响应,变频器不启动。连锁功能是保证安全运行的重要措施。 ⑤对再生能量的处理。变频器的主回路采用双向逆变方案。 2井下绞车电控系统变频技术应用 兖州矿业集团公司兴隆庄煤矿在十采区 JBT-21.8绞车电控系统 成功采用变频技术。 其设计满足 煤矿安全规程 、 GB3836.1-4-2000防爆规程、 GB50070-1994矿山电力设计规范、煤矿提升 绞车安全检验规范、 JB4263-2000 交流传动矿井提升机电控设备 技术条件、 JB8516-1997矿用提升机和矿用提升绞车安全要求、 MT/T834-1999煤矿用提升信号装置通用技术条件等要求,使绞 车运行系统得以优化。 电控系统和保护系统采用变频调速技术,输入电源 660V 、 50Hz ,电 压允许波动范围-1510,允许频率波动范围 2.5,输出功 率 200kW ,输出频率 050Hz 连续可调。过载能力强,在负载变化 为-120120额定负载时能满足四象限运行要求; 低频运转时, 有自动转矩提升功能,能保证 100额定转矩;有过压、欠压、过流、 断相和功率元件过热等保护。 控制箱采用快开门方式,电气控制采用双 PLC 全数字控制系统,两 套 PLC 与硬件电路互相冗余完成绞车提升控制与数字监控,同时在 PLC 故障时能分别完成临时应急提升。 控制系统配备正常操作而设置 的各种保护,其中的防止过卷装置、过速装置、限速装置和减速功能 保护设置为相互独立的双线形式。 系统还具有各种保护试验功能。 声 光信号与控制回路具有闭锁功能, 未发信号不能开车, 发出信号的时 间次数记忆不少于 30天。深度指示采用数字显示,能准确清楚显示 出矿车在巷道中运行位置。 深度指示一旦失效能迅速断电停车。 绞车 控制具有手动、自动、检修运行及远程控制等操作方式。检修时能手 动操作,运行速度 0.30.5m/s,操作方便可靠。变频器采用模块式 结构,出现故障时能方便查找故障点并及时进行更换,维修简单。操 作台除有正常的各种操作开关与按钮外,还有深度、速度、电压、电 流、油压和温度等指示,比较直观。 2 矿井主扇风机实现自动化调频控制 兖州矿业 集团 公司杨村煤矿和山东省煤炭科学研究所将可编程序 控制器成功应用于该矿南、 北风井主扇风机自动化变频系统, 与国内 使用单片机、 工控机进行改造的类似项目相比, 无论是可靠性还是参 数变更灵活性都具有不可比拟的优越性。 此项成果的主要功能如下 ①系统自动化控制。 PLC 接到运行指令时, 判断运行机号和运行方式。 若为低频方式则驱动低频接触器吸合,延时 0.4s 发出变频器运行令, 电机启动至设定频率风门绞车开启扇风机进风门, 前导器执行机构打 开扇风机前导器, 使扇风机进入工作状态。 若为工频方式则控制风机 降压启动, 当启动电流降至设定值时停掉降压启动接触器, 吸合运行 主接触器,风机转入全速运行状态, 30s 后风门及前导器自动打开。 ②风量闭环控制。风机低频运行时,风量由给定信号控制。该信号与 风量传感器反馈信号同时进入 PLC 的 A/D模块, 经 CPU 比较调节后, 输出信号由 D/A模块送至变频器频率设定接口,调节变频器输出频 率,从而改变风机转速。 ③风机低频故障转换。 PLC 在风机低频运行中自动检测变频器运行情 况,变频器出现高中时自动切除低频系统使风机转入工频运行。 ④电机过流保护。 电机变送器将主回路电路电流信号转换后送入 CPU 内部功能存贮器, CPU 在每个扫描周期将该数据与内部电流设定值 比较,超过设定值即进行保护。 ⑤风门行程精确控制。 PLC 开闭风机风门时, 安装在风门绞车主轴上 的轴编码器将风门行程转换为数据信号送至高速记数模块, 待其译为 BCD 码后存入内部存储器, CPU 在每个扫描周期将 BCD 数据与行程 设定值比较,超出设定值即停车。 3 在井下采煤系统应用 1采煤机 ACS-800变频器的调试运行 ACS-800变频器有着优良的调速性能和显著的节能效果被广泛应用 于煤矿及其它众多行业。正确设置变频器的基本参数是十分重要的。 兖州矿业集团公司济宁二号煤矿总结了采煤机 ACS-800变频器 调试运行的经验。 ①选择语言,设置电动机启动数据。有十五种语言可供选择,应选 ENGLISH 英语,FACTORY 基本应 用于工厂、NO 不恢 复出厂设置、 DTC 直接转矩控制。根据电动机铭牌选择合适的电 压、频率范围、电动机转速和电动机功率等。 ②通过设置数字输入端,实现外部启动、停机和旋转方向。加速时间 就是变频器输出频率由零频升到最大频率所需时间, 一般 810s 。 减 速时间是从给定最大值降至零频所需时间,一般 35s 。确保加速时 不过流、减速时不过压。加、减速时间可根据电动机功率进行计算, 实际应用时根据现场情况适当调整, 以不出现过电流、 过电压为原则。 ③加减速模式选择。 变频器加减速有线形、 非线形和 S 形曲线运行模 式。采煤机启动和运行负载变化较大,且加速度要缓慢,变频器可选 择 S 形曲线运行模式,以满足不同的复杂地质条件需要。 ④设置转矩补偿。 以此来提高电动机在低速启动时转矩提升, 应采取 自动补偿功能,确保电动机加速顺利进行。 ⑤电子过流保护功能设置。 这是为了保护电动机因过流而烧毁, 漏电 保护功能对电动机及电缆实时监视绝缘情况。 工作电流超过设定值时 过流保护功能动作, 绝缘值下降至设定值以下时漏电保护功能将切断 电源,实现保护牵引电动机的要求。 ⑥模拟加载调试采煤机。 接上电源后仔细观察有无异常现象, 然后进 行初加速。在加速时限制频率给定时要缓慢,频率上升率不要太陡, 以防止出现过电流保护。 此时观察电动机转速是否由小到大过渡运行 平稳确保电动机接近满载情况下可靠运行。 2电牵引采煤机变频器故障分析与处理 电牵引采煤机应用变频器替代了原先的液压牵引方式, 提高了采煤机 运行的可靠性。兖州矿业集团公司鲍店煤矿通过大量现场实践, 总结出使用和维护变频器的经验,保障了电牵引采煤机的正常运行。 变频器位于牵引控制箱的右前侧, 主要用于控制采煤机的左右行走速 度。 对于采煤机只能进行单向行走的单向牵引事故, 除平时经常清理按钮 表面的粉尘, 并做好防锈处理以防出现按钮卡住现象外, 还要加强对 插座的维护和保护, 控制线在压接时用力适度, 线头压得过紧易出现 断丝,采煤机振动时易造成线头虚接。 对于采煤机运行时能牵引, 但在行走过程中经常出现突然停机, 停机 后有时有故障显示有时无故障显示,复位后仍能开机的病态牵引事 故, 先不要急于动手, 首先询问司机关于采煤机工作运行情况和故障 现象,观察功能显示和参数显示,仔细倾听采煤机运行声音,分清是 机械故障还是电气故障,确定故障范围,由点到面层层分析,然后再 进行事故处理。 对于采煤机不牵引的事故, 其原因可分为硬故障和软故障。 硬故障是 指采煤机出现不牵引后信息显示直观, 能直接从显示窗口上获得故障 信息。软故障是指采煤机出现不牵引后从显示窗口查不出各种信息, 故障点信息较模糊, 难以对事故进行处理。 现场处理是更换功率平衡 板。该板是易损件,出现类似事故时应及时更换。平常应加强对变频 器电源输入联接线的维护, 采取隔离和包扎等措施, 使变频器电源输 入线不与器壁和其它元件接触,可有效防止事故发生。 3交流电牵引采煤机综合试验台 兖州矿业集团公司机械制修厂研制的电牵引采煤机综合试验台, 可对MCLE 600-DR102102、 SL300、 MGTY400/900-3.3D三种常用 交流电牵引采煤机的电气系统进行测试, 并可同时对 2台变频器进行 试验, 由 2台变频器分别拖动 2台交流电动机, 也可一拖一或一拖二。 该综合试验台由 3个部分组成。 ①交流变频调速试验单元主要设备有油自冷式调压器、 三相异变电 动机、 直流电动机和数字式直流调速装置、 转速转矩传感器、 控制台, 实现交流变频调速装置电气性能和牵引电机及机械性能的测试, 完成 变频调速装置保护功能的测试。 能测试的项目主要有变频器在空载状 态下的工作性能试验、加载试验、温升试验、电网电压波动试验、速 度调节范围试验、制动与正反转运行试验、机械调速特性试验。 ②计算机信号数据处理单元核心设备有工业控制用计算机 含模拟 量、 数字量、 输入输出接板 、 宽行彩色打印机、 信号调理变送电路, 主要用来采集来自交流变频调速单元的信号和数据, 按照测试项目的 要求进行数据处理和显示。 ③采煤机控制、 监测系统试验单元共包括监测信号模拟发生电路 分 别模拟采煤机牵引部、截割部等处的电流、温度、压力等检测信号, 能在规定量程内变化, 并具备计量校准的功能, 可以代替原信号送检 测中心、采煤机操作信号模拟发生电路模拟采煤机的各种信号, 如送电、牵启、左行、右行等,可以代替原信号控制采煤机各部的动 作、采煤机动作响应显示电路代替采煤机各部在控制中心输出信 号后作出的响应指示 , 主要对采煤机控制监测系统的功能进行测试。 4 在运输系统应用 1隔爆变频调速装置在胶带输送机的应用 兖州矿业 集团 公司机电设备制造厂生产的胶带输送机配置 4台大 功率电机驱动装置采用 31模式, 3套工作、 1套备用。整部输 送机由 3台电压为 1140/660V异步电机并联拖动, 通过减速器与输送 机驱动滚筒连接, 电动机与减速器、 减速器与驱动滚筒之间采用蛇簧 联轴器相连接。 该机采用同轴电机, 即 2台电机同时控制一个驱动滚 筒, 要求电机启动有良好同步性来保证系统功率平衡。 通过对各种调 速方式分析比较,决定每台电机配置 1台 QJR400型隔爆变频调速装 置,采用隔爆变频调速装置对输送机进行调速控制。 隔爆变频调速装置的操作可在本机控制, 也可远程控制。 此机控制是 靠变频调速系统内置的触摸屏来设定运行参数。 在触摸屏上进行运行 和停止操作。远控时,通过工作台对变频调速系统进行外控操作。应 用变频调速装置时,一般采用一拖一控制。当 3台电机同时启动且 2 台电机同轴时, 在隔爆变频调速装置间增加主从控制功能, 可任意设 置其中 1台为主机、 其余 2台为从机。 在现场中设置同轴的 1台电机 为主机、其余 2台电机为从机,同轴的另一台电机设置为转矩跟踪, 不同轴的第三台设置为速度跟踪。 主机是调速装置群控中的首机, 其 它变频器都是从机。主机只有 1台。在运行中只对主机控制,全部从 机同步自动跟随主机动态运行, 实现良好的主从关系目标控制运行模 式。 经过较长时间的运行检验证明, 真正实现了电机软启动和胶带输送机 软启动合二为一。 通过电机慢速启动带动胶带机缓慢启动, 将胶带内 贮存的能量缓慢释放,几乎对胶带不造成损害,设备启动特性平稳, 极大降低了设备的维护检修量, 同时节能效果明显。 隔爆变频调速装 置以其特有的软启动特性和较高的性价比, 成为矿山井下胶带输送机 驱动的发展方向。 2变频器软启动在胶带机中的应用 兖州矿业 集团 公司济宁三号煤矿井下主煤流运输由 7条胶带输送 机运输系统组成。其中,北部胶带机共有 4个驱动单元,每台电机的 功率为 31.5kW ,额定电压 1140V ,原先一直采用电机 耦合器的方 式驱动。自从投入 ZJT 型 1140V 矿用隔爆兼本质安全型智能变频器 以后,实现了胶带输送机软启动运行,使用效果非常理想。 使用变频器后, 驱动电机直连滚筒, 通过设置变频器输出电流频率由 0Hz 到设定频率的变化时间,就可设置胶带机软启动的启动时间。为 尽量减少胶带机启动时对电机及胶带机各部件的冲击, 启动时间可设 置成 10s 以上。变频器启动力矩大,尤其适合重载启动,这对胶带机 十分有利。胶带机运行时,由于环境恶劣,经常发生各类紧急停车故 障,一旦重载停车,由于耦合器在软启动时启动速度过快,且对多电 机驱动的胶带机无法做到各电机的功率平衡,易造成电机过载停车, 对滚筒和联轴器等设备的损害十分大。 改用变频器后可通过调节变频 器输出频率的大小来实现各电机的功率平衡, 在启动过程中通过降低 电机的频率可实现在小电流下的大功率输出, 最大程度降低了对电机 及胶带机的损伤。 变频器的另一重要用途是验带功能。 胶带机的日常检修工作中一个很 重要的任务就是在胶带运行时检修胶带的磨损情况。 但是, 如果在满 速情况下很难清楚地看到胶带的破损部位。 该矿北部胶带输送机使用 的 4套变频调速装置可以设置两种频率启动。 在现场应用中, 将第一 个频率设置为 40Hz 根据采区煤量多少自行调节、第二个频率设 置为 10Hz , 对应 4.5m/s的满速速度, 能实现接近 0.9m/s的验带速度。 与使用耦合器作为传动装置相比, 空载时电耗仅为 50, 重载时节省 30。 3变频调速技术在电机车电动机的应用 山东科技大学和兖州矿业 集团 公司机电设备制修厂对变频调速技 术在矿山牵引电机车上的应用情况进行了分析研究。 电机车是矿井轨 道运输的主要牵引设备。 其中, 架线式牵引机车多年来一直沿用结构 复杂、 故障率高和维修费用大的直流电动机, 而且目前国内绝大多数 矿山牵引机车还在使用触头电阻调速方式, 处于耗电量大与维修量大 的状态。 变频调速牵引机车采用故障率低和性能可靠的三相异步交流 鼠笼式电动机, 结合技术先进与节电效果显著的变频调速器, 取代了 直流电机车比较落后的驱动技术,达到当代世界先进技术水平。 由于工作环境特点所致, 矿用电机车调速系统处于频繁的启动、 制动 和加减速等状态, 还要适应负荷上下坡和颠簸路况等情况, 因此要求 电动机启动转矩大、过载能力强。另外,调速系统不但要能四象限运 行,还要能再生制动到低速。这样,当负载转矩增大时,转速就能迅 速下降, 而电动机输出功率基本不变, 从而使电动机不易因负载增大 而引起过载。反之,当负载变小时,电动机转速能自然上升,以利于 提高生产效率。此外,为防止主轮打滑,调速系统还应考虑具有最大 转矩限幅的功能。 由于逆变器和电动机都安装在电机车上, 所以整个 调速系统应尽可能设计得体积小、 重量轻、 硬件结构简单和控制方便。 对于直接转矩控制而言,在高速运行阶段,除电动机定子电阻,不需 知道其它参数, 所以直接转矩控制对电动机参数的依赖性比矢量控制 要低许多。 其产品包括 5t 、 8t 和 10t 隔爆型电动机斩波调速控制装置, 目前已广泛应用于以电池为动力源的、 交流电动机牵引驱动的矿山电 机车上。 5 地面选煤厂装车系统变频技术改造 兖州矿业 集团 公司济宁三号煤矿装车系统主要设备为 4JDM-30SM 调车绞车,装车速度慢、调速能力差、故障率高。为此,他们采用变 频技术将其改造成为新型装车系统。 变频改造的具体实施如下 ①在五、 六股控制室各安装 1台 ACS600变频柜, 输入和输出分别跨 接到原进线及输出到电机的高速连线端。 原牵引控制柜仍旧保留, 作 为备用。为防止误动作,变频控制回路与原控制回路是互锁的。要启 动变频牵引系统,必须是原控制回路的主交流接触线圈均无施加电 压, 即串联在变频器启动回路的常闭接点均闭合的情况下, 合上变频 总开关才能使变频启动回路通电, 变频器启动主交流接触器吸合, 其 常开接点吸合自保,使电机处于 4极运转状态。此时,串联在原控制 回路的常闭接点均打开, 所以在变频器运行时, 原控制回路是无法运 行的。反之,在启动原控制回路电机运行后4极或 8极状态,变 频器也是无法启动运行的。 ②在集控室增加 1套控制与报警显示装置。 正常运行时操作人员可调 整旋钮使其改变运行速度。 如在运行中出现短路或电机缺相过载, 操 作台上将显示并报警自动停车。 ③在五、六股道的变速点处安装电磁开关,其接点串入控制回路。当 牵引车经过变速点时将自动改变牵引速度,保证它低速回窝。此外, 还在车窝处安装 2台监视器作为后备监视, 出现故障时由人工操作回 车。 此项改造完成以后, 牵引车实现了无级调速, 机械的冲击性有效改善, 设备的检修及维护周期延长, 装车能力比原来提高 25, 保障了年产 800万 t 的外运能力。采用变频调速尽管增加一些投资,但仅节省电 费一项就能在两年多一点的时间内回收全部投资。 6 在电动机的应用 1在提升机主电动机冷却风机应用 兖州矿业 集团 公司鲍店煤矿通过把变频器外部频率给定端子与电 控系统可编程自动化控制器的模拟量输出端子连接, 实现了离心式冷 却风机的风量随着矿井提升机主电动机定子温度变化而自动调节, 大 幅度提高了风机效率。 该矿副井 2部提升机主电动机采用离心式风机冷却方式, 利用调节风 门开度大小来调节冷却风量多少。 在多年实际运行中发现其存在启动 电流大、风机效率非常低及风量不能自动调节等缺点。经过论证,决 定去掉调节风门, 改由变频器来驱动离心式风机的电动机, 通过调节 电动机转动速度来调节冷却风量; 并将离心式风机变频器的控制信号 引入到提升机控制系统中, 实现了离心式风机状态实时监控及风量自 动调节。结合矿井提升系统实际情况,选用西门子 MicroMaster440变频器,其控制方式为矢量控制,性能稳定可靠。 改造后, 由于在变频器中设定了电动机启动曲线, 离心式风机的电动 机不再是全压启动,启动电流由 600A 以上降到 200A 以下,大幅度 减少启动电流对电动机的冲击。如可编程自动化控制器发出 “ 变频器 启动 ” 命令 6s 后未得到变频器 “ 启动完毕 ” 反馈信号,则会发出离心式 冷却风机故障的信号, 并闭锁提升机; 当变频器发生故障不能正常工 作时, 离心式冷却风机控制方式恢复为原先方式。 在主电动机定子和 转子中预埋了 Ni100测温电阻,利用 S7-400PLC 模拟量输入模块可 很容易检测到电动机实际温度, 利用变频器外部频率跟定功能可实现 频率随检测到的电动机实际温度自动调节, 增强系统安全性, 有效控 制提升机主电动机温度变化;降低离心式冷却风机运行时产生的噪 音,基本是免维护运行,降低了劳动强度。 2防爆型交流变频驱动系统 兖州矿业集团有限责任公司开发出一种防爆交流变频驱动系统, 采用最先进的 IG-BT 模块以及先进的直接力矩控制方式, 使得防爆型 交流变频驱动的各个性能指标如启动力矩、 控制精度和快速响应能够 俊比同类产品有很大的提高, 同时, 防爆型交流变频驱动在煤矿井下 这一特殊环境中可广泛使用,具有很大的优越性和巨大的经济利益。 矢量控制和直接力矩控制是异步电动机变频调速的主要控制方式。 矢 量控制技术要做到大范围调速必须接速度反馈, 而速度传感器的安装 较麻烦且易于损坏。 直接力矩控制在无速度传感器的条件下仍能做到 大范围,而且具有较快的动态响应和大起动力矩最大能够达到 200,非常适应矿山大功率电动机的工作需求。 由于直接力矩控制技术发展很快,其力矩脉动较大的缺点得到了改 善,现在国内外许多变频器厂家已把此技术应用到了通用变频器中。 因此, 从先进性和实用性两方面考虑, 防爆型交流变频驱动器采用直 接力矩控制技术。 其主要功能器件包括 ①功率器件。 根据矿井交流异步电动机的运行特点, 同时考虑国内整 流装置的生产使用情况, 选用带浪涌吸收电路且具有软恢复特性的三 相整流桥模块。 ②限流电路。 在驱动器刚接通电源后的一段时间里, 电路串入限流电 阻,将电容器的充电电流限制在允许的范围之内。 ③制动电路。 使用制动电阻将再生到直流电路的能量消耗掉, 使电压 保持在允许范围内。制动单元的作用是控制流经制动电阻的放电电 流。 ④驱动控制系统。 由速度控制环和转矩控制环组成, 采用目前最常用 的微处理控制芯片和辅助电路。 ⑤人机接口。其主要的电气保护有短路、过电流、过载、断相及不平 衡、漏电、过压欠压、变频器过温和电动机过热、接地故障等。