西门子矿井提升机 ML2_10P(Xx).pdf

snemeiSlai r tsudnIse c i vreS 针对矿井提升机的 全面技术解决方案 特色与优势 交直交变频器 s 您 的 成 功 是 我 们 的 目 标 Industrial Solutions and Services 1.1 概要 SIMOVERT 交直交变频器采用三级布局。 功率部分采用水冷却，这样就允许高功 率输出。功率单元采用IGCT（集成门极 可关断晶闸管）半导体功率元件。所谓 集成即是将门触发单元安装在半导体外 壳内。 IGCT是GTO的改进型设计，它具有更低的 开关损耗。作为代表高功率输出的半导 体器件技术发展水平的IGCT保证了运行 的高可靠性和低功率损耗。 先进的矢量控制和具有优化的脉冲波形 的触发装置使得同步电机以低IGCT开关 频率获得最高质量的力矩。 SIMOVERT 交直交变频器是西门子不断跟踪用户实际需要而得到的结 果。它具有水冷却，在占地面积很小的情况下能输出较高的功率，高 可靠性及低功率损耗等都是这种新设备的优点。 电网侧的整流器和电机侧的逆变器是完全一样的。带能量回馈的电网 侧整流器通常工作在cosj 1的情况下。因此无功功率补偿装置就没有 必要了。由于无功功率而产生的电压降为零。 变频器可以并联连接（在多绕组电机的情况下）以得到更高的输出功 率（20MVA/30MVA）。这种特性将可以用于本项目的二期和内装式电 机的情况。 变频器的冷却由一个分离式的水到水热交换器完成。热交换器有不同 的型式，可用于一台到三台变频器的冷却。 1.2 技术数据 输入 / 输出电压最大 3300 V DC连接电压4800 V 输入－输出电流额定1750 A 峰值电流（20 s）最大 1950 A 额定功率10 MVA 频率范围0 – 76.5 Hz 额定负载时的功率损耗（整流器＋逆变器） 150 kW 1 电压源型 交直交变频器 相功率组件 水冷却的相功率组件结构图 1.3 相功率组件 相位模块由4个分别带有二极管的IGCT组成。中性点二极管和缓冲二极 管是同样型号的，这样可以降低另备件的数量。 2 1.4 变频器单元 一个变频器单元（能量回馈整流器或电机逆变器）由三个相功率组件 构成，结构上叠加布置。 整个变频器单元是由下列部分组成直流连接电容和带光缆连接的用 于IGCT控制的变频器控制单元，实际值采集，与控制柜通讯和快速变 频器保护机构。 变频器单元 3 1.5 变频器基本单元 一个变频器基本单元是指一个10MVA的带有能量回馈整流器和电机逆 变器的变频器。 变频器基本单元（黄色部分） 4 1.6 所需占地面积 所需占地面积 控制部分、励磁部分、辅助设备可以安放在不同的地方。 1.7 变频器的连接 并联连接的变频器具有20MVA的额定功率。电机为双绕组。 并联连接 5 6 2 励磁整流器 一台直流励磁整流器连接到低压配电柜上。主要数据如下 最大励磁电流150 A 最大供电电压500 V 连接型式B6C 并联桥数量1 冷却方式柜顶自备冷却风扇 宽600 mm 深1200 mm 高约2200 mm 重量约320 kg 竖井提升系统的性能对于矿井的效率而言至 关重要。竖井属瓶颈环节，绝不允许出现故 障，因而提升机在整个生产流程中具有特殊 的地位。正因如此，人们总是想尽办法确保 可用性更高和维护工作更少的同时，提高提 升能力和效率。这一点可通过使用有效载荷 达 40～60 吨的更大的提升容器并安装更大 功率的高性能传动装置加以实现。通过与西 马格有限公司（Siemag GmbH）携手合作， 西门子工业系统及技术服务集团（Siemens Industrial Solutions and Services Group） （IS）现已向山西屯留矿交付了一组新型 竖井提升机。 山西省位于北京西面，是中国的产煤中心， 2002 年采煤大约 4.1 亿吨。潞安矿业（集 团）公司在山西经营着数家煤矿，其中有年 产煤 6 百万吨的屯留矿井。西门子提供的关键设备包括两台配有同步电机传 动，输出功率均为 4000kW 的提升机，以及 Simovert 交直交变频器带直流环 节的交直交变频器。与交交变频传动相比，本解决方案在电网供电电力弱或不 稳定的情况下运行更可靠、可用性更高，且电源系统受干扰更小。这样一来， 滤波电路及功率因数补偿的措施都不再必要，投资成本因而也得以降低。 竖井提升装置 提升容器在深达 700 米的竖井里以超过每小时 70 公里的速度运行，对提升 电机及其变频器的要求是很高的。除了容器的重量，传动装置还必须对另一 个容器、 12 根钢绳和两组天轮进行加速，总共要持续对 200 吨的载荷进行加速和减 速。这个过程中，变频器每一循环要承受大约 15 秒钟的极限能力。因此变 频器除了额定输出功率之外还必须具备储备功率。在经过 15 秒钟或竖井中 200米的高度之后，传动装置便以一种恒值的额定输出功率运行约 50 秒后进 行再生制动。这种短时间大容量的超负荷运转在传动技术应用上是罕见的。 但即使在这种情况下传动装置的设计也不能使电机的热负荷过载。西门子工 业系统及技术服务集团（Siemens IS）是全球仅有的几家能提供整套四种 不同传动装置和变频器组合方案的竖井装置供应商之一。装置与众不同之处 体现在电机的设计（内装式或直联式）以及变频器的选型（交交变频器或交 直交变频器）。内装式设计将同步电机的外转子安装在摩擦滚筒上。这种改 型主要用于提升机房空间受限以及整套装置中对荷载要求必须均匀对称的场 合，其价值在三十多年里通过无数矿井实践得到了证实，而直联式设计中电 机是以法蓝方式连接到摩擦轮上的，结果一侧的轴承必须承受更大的单边应 力。对变频器的选择条件就更为复杂，不只是取决于现有供电网络和环境条 件，还必须考虑投资成本。通常首选的是交交变频器，目的是以较低的投资 成本达到性能最大化。虽然交交变频器要求相对稳定的供电系统，但其空气 冷却的方式却能适合于任何环境条件。西门子 25 年前首先将交交变频器引 入轧钢机的主驱动，所采用的是专门为此开发的矢量控制技术。这种三相解 决方案在维护、动态响应以及功率输出方面都具有优势，在之后几年里几乎 取代了所有的直流传动装置。随着晶闸管的进一步开发，交交变频器于是成 为低速电机的标准变频器。交交变频器的特点是输出功率大、零部件少且可 靠性高，因此是一种紧凑型、低维护的中压传动装置。Simovert D 型交交变 经过验证的 Simadyn D 型提升控制器的软件 已针对 S7-提升机控制器 S7 FM 458 型进行了 改写。 西门子工业系统及技术服务集团（Siemens IS）正采用Simatic S7-400型矿井提升控 制系统以及Profibus DP技术重新装备所有 提升机。S7系列提升机控制器Simatic S7- FM458。 7 西门子 对矿井提升行业了 如指掌 频器的过载能力极强，目前被认为是可靠性非常高的变频器，其能够满足功 率范围在 236MVA 之间的所有要求。在过去两年里，本公司在轧钢机和竖 井提升装置中新制造并安装了80台交交变频器。 交直交变频器 通过 Simovert 交直交变频器，西门子在高性能的变速传动装置方面的领域正 在拓展。水冷式多 级变频器可以拖动大功率同步电机，其功率范围能达到 427MVA 之间。与 前述的交交变频器相比，其更高的输出频率使电机更高速运转并确保在供电 干扰更小的情况下可靠性更高。变频器在电网侧的主动前端（AFE）整流器及 电机侧逆变器中均采用集成式门极换向晶闸管（IGCT）功率半导体器件。使 用该技术，功率半导体器件以及相关控制系统集成于同一装置内，尤其 适合于快速、低损耗的开关操作，能够提高驱动装置的总体效率。整流器 （AFE）和逆变器都是基于三级电路逻辑技术，这保证了步进输出电压能非常 接近于理想的正弦波。变频器的设计使系统即使在供电电网严重不平稳的情 况下仍能运行于理想的拖动和发电模式（四象限运行），因为电机的逆变器 是通过直流环节连接到电网侧的。 Simovert 交直交变频器水冷式多级变频器拖动高动态同步电机，功率范围能达 到 427MVA 之间。其高输出频率能使电机高速运转并能保证对电网干扰更小的 情况下可靠性更高。 8 表1 Simovert 交直交变频器 电压3.3kV 电流1750A 输出功率5-27MVA 电机同步/异步电机 工作模式4象限AFE / 2象限 DFE 输出频率080Hz 布局方式3 级带直流环节变频器 技术IGCT（集成式门极换向晶闸管） 冷却方式水冷式 控制配置 Rotos 切换器的矢量控制系统 可选项可供三台电机能量平衡的共用直流母线 带AFE 的无功功率补偿 效率99 Simovert 交直交变频器适用于竖井提升系统和轧钢机以及磁悬浮列车。对 于多电机传动场合，根据功率等级可使用共用的直流连接母线向几台逆变器 供电。这对于系统总体效率和投资成本都有着积极的效果。变频器的基本单 元的输出功率为10MVA，输出电流为 1750A。对于主动前端（AFE）以及二 极管前端（DFE）也是如此。如果将几个基本单位的 10MVA 并联，可达到 27MVA 的功率输出。表 1 概括了变频器的基本规格。 扩展后的矢量控制系统采用缩减的优化任务型开关（Rotos）脉冲控制技术， 根据同步电机的电磁态势模型进行设计。一旦 Rotos 切换器收到设备的载荷 状态（速度、转矩要求以及动态载荷变化）信息，便为特定电流载荷情况对 半导体器件的开关切换命令进行优化。控制 IGCT 所需脉冲波形是在离线状 态下通过一个综合的程序生成，这种脉冲波形与闭环控制系统构成一个完整 体。这种高动态化功能强大的程序优化了电压的使用率并能保证切换频率较 低。Rotos 切换器确保了几乎为正弦的高动态响应电流且输出时可达到低谐 波含量。采用该控制系统，电流具有的频率范围可预先计算，而且噪音或力 矩振荡也能消除。由此，电机运行噪音更小使用寿命也更长。矢量控制系统 实现了更高的效率水平，使得输出功率更高、谐波量更小而且对电机的磨损 也更少。因为无需无功功率补偿且电缆和变压器所需额定电流更低，所以高 功率因数可以节省很大一部分的费用。另外得益于采用预制的标准传动装置 （在轧钢机或磁悬浮列车场合也如此），交付时间和采购费用也相应得到缩 减和降低。 通过电网侧整流器，电流和电压间的相移（功率因素）能得以有效调节。这 一特点使得功率因素cos j值能够调节到使整个传动装置在无需任何无功功率 的情况下运行。在功率储备允许的情况下，与其共用供电线路的其他负载的 无功功率也能通过此变频器进行补偿。通过水冷技术使功率密度增高，从而 变频器需要更少的空间。 Simovert 交直交变频器为模块化结构，可允许三台逆变器同时与一个AFE整 流器连接，每台逆变器分别拖动一台电机。 Simovert 交直交变频器适用于竖井提升系统和轧钢机以及磁悬浮列车。对 于多电机传动场合，根据功率等级可使用共用的直流连接母线向几台逆变器 供电。这对于系统总体效率和投资成本都有着积极的效果。变频器的基本单 Simovert 交直交变频器适合于竖井提升系统 以及轧钢机 西门子工业系统及技术服务集团（Siemens IS）是世界上仅有的几家能提供四种不同传 动方式和变频器组合方案的供应商之一 11 元的输出功率为10MVA，输出电流为 1750A。对于主动前端（AFE）以及二 极管前端（DFE）也是如此。如果将几个基本单位的 10MVA 并联，可达到 27MVA 的功率输出。表 1 概括了变频器的基本规格。 工艺控制系统 竖井中的运行可以通过适当的工艺控制系统完成。不同于轧钢机，竖井提升 装置在相对更低的额定频率下运行。电机严格按照力图运转，所以可预先计 算负载周期。工艺控制系统是为满足现行矿井安全要求而设计并同时通过变 频器-电机组合达到最大化性能和效率。工艺控制器通过控制摩擦轮实现可 靠地竖井内的全距离提升。这样，测速发电机采集到钢绳上反映出的一系列 距离信号，从而通过相应的逻辑控制摩擦轮和电机。工艺控制系统遵循德国 矿山安全规定采用双通道并在独立的（相异性）的硬件和软件上完成功能。 这种双通道功能防止了因为硬件和软件故障而发生事故。如果出现非正常的 情况，安全制动闸立即启动。工艺控制系统是基于 Simatic S7 领域的标准设 计，在两个通道上连续监测安全回路和闭锁电路的情况。在竖井中部设置一 个同步开关监控着一个时间窗，竖井内的所有动作都能在操作员终端显示出 来。帮助功能能够让提升机操作工及时发现故障。远程控制系统还可以使提 升机全自动运行，装载和卸载。在控制中心可同时监控几台提升机的运行。 提升控制器的变革 西门子工业系统及技术服务集团（Siemens IS）已经开始采用 Simatic S7-400 型矿井提升控制系统以及 Profi bus DP 技术重新装备所有的提升机。 以前，一直是Simadyn D型提升控制器与作为外围部件的ET200 智能终端结 合使用的。现在，经过验证的 Simadyn D 型提升控制器的软件已被改写进FM 458 Sidmatic应用模块。其配置快速简便并能实现高标准的动态响应和复杂 控制任务的高精确性。新型提升控制器拥有一个64-bit的风险处理器以及8MB SD-RAM，能实现少到1.3ms的周期时间，并能通过背板总线与 EXM 438（直 接I/O扩展）以及 EXM 448（通讯扩展Profibus DP 和 Simolink）模块进行通 讯。相异性原理要求必须使用不同的CPU，因而通道 A 和 B 配置 412、414 和 416 CPU。它们总是在 1015ms 范围生成不同的总循环时间。所有的安全 功能都通过以自己的Profi bus现场总线冗余连接的两个通道实施。传送电缆线 由一个切换功能程序（外围设备输入）进行监控，对相应输入输出硬件进行 动态检测。另一个测试功能程序监控输入的过程镜象并同时循环监控检测程 序。两条通道的信号进行连续性的相互比较，一旦有故障出现便触发看门狗 模块，而后立即作用于安全制动器。控制器之外其他所有安全功能也是基于 此原理设计。画面显示系统和深度指示信息通过标准 PC 机实现。同时还配备 指示灯来显示其他重要信号。 结论 西门子工业系统及技术服务集团（Siemens IS）在屯留矿的竖井提升装置中 80使用了标准设备。其余20 的设备为单独设计以适应现场情况。这些适 合性设计取决于现场不同标准的布局以及不同的井筒信号设备和不同的操作 模式，比如自动模式、手动模式、长材运输、人员运送、竖井内的运动情况 或钢绳检查方式等。工艺控制系统实现了最佳的安全性、可用性和可靠性。 位置、速度以及力矩设定极为精确。比如，传动力矩纹波低于 1，力矩建立 时间低于 5ms 而速度上升时间在 50ms 之内。总体上讲，屯留矿井新的传动 系统的特点是高效率（在额定工作点上为96）和低维护成本。 10 西门子（中国）有限公司 北京市朝阳区 望京中环南路7号 联系人费广泽 邮政信箱8543 邮政编码100102 电话010-6472 1888-6026 传真010-6473 7127 电子邮件guangze.fei 西门子（中国）有限公司 广州分公司 广州市先烈中路69号 东山广场16-17层 联系人周耀武 邮政编码510095 电话020-8732 0088-2310 传真020-8732 0078 电子邮件edward.chow 西门子（中国）有限公司 武汉分公司 武汉市汉口建设大道709号 建设银行大厦18层 联系人赵烽 邮政编码430015 电话027-8548 6688-6001 传真027-8548 6623 电子邮件feng.zhao 西门子（中国）有限公司 济南办事处 山东省济南市舜耕路28号 舜华园商务会所5层 联系人杨好昌 邮政编码250014 电话0531-8266 6088-6600 传真0531-8266 0836 电子邮件haochang.yang 该手册中提供的信息仅为一般性描述或性能特征，产品在实际应 用中可能与该描述略有不同，因产品的进一步研发引起的变化亦 会导致与手册中描述之差异。所有有关产品性能特征之承诺仅以 合同条款中明确约定为准。 订单号码E10001-P12-A51-V1-7600_CN 中国印刷 Dispo No. 21646 K No. 37500 GB C-ISECX520M30 WS 07052 西门子保留解释权 西门子股份公司 西门子股份公司2005 ，版权所有 西门子工业系统及技术服务集团 您在矿业中的紧密伙伴 西门子（中国）有限公司 工业系统及技术服务集团 电子邮件 网址