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解決方案
高壓變頻器在山東煤礦提升絞車上的應用
1用戶簡介
山東明興礦業集團有限公司座落在蓮花山下、汶水之畔，位于新泰市城區西十公里小港村西，是一家以煤為主、多業并舉的綜合性生產企業集團，屬國有中型二級企業。小港煤礦是明興礦業集團的下屬煤礦之一，礦井煤田范圍處于新汶煤田北部，新汶向斜的北翼，井田東西走向長7km，南北寬0.5km，面積3.4889km2，現礦井地質儲量3134.1萬噸，可采儲量1884.1萬噸，核定為90萬噸/年。副井提升機為雙筒式礦井提升機，現場設備如圖1所示。
圖1 現場設備
電機的調速方式采用傳統的串電阻調速方式，該調速方式屬于落后技術，存在以下缺點：
（1）大量的電能消耗在轉差電阻上，造成了嚴重的能源浪費。
（2）控制系統復雜，導致系統的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了生產效率。
（3）低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現速度控制，特別是在負載發生變化時，很難實現恒減速控制，導致調速不連續、速度控制性能較差。
（4）啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現“掉道”現象。
（5）自動化程度不高，增加了開采成本，影響了產量。
（6）低速段的啟動力矩小，機械特性比較軟，帶負載能力差，無法實現恒轉矩提升。
針對以上這些問題，煤礦決定對原系統進行改造。根據當今科技的發展，采用技術含量較高的變頻調速，替代原來的繞線電機串電阻調速，是較理想的方案。經礦方多方面考察多個用戶現場，選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的風光牌JD-BP37-280T型高壓變頻器提升系統。
2 新風光高壓提升機變頻器系統的特點
新風光電子公司是國內較早的從事提升機變頻器研究的專業廠家，風光牌高壓提升機變頻器被列入國家火炬計劃，產品榮獲國家重點新產品、山東省科技進步獎，產品被列入國家重點節能技術推廣目錄第一批名單。
2.1系統介紹
JD-BP37-280T型高壓提升變頻調速器采用進口IGBT為主控器件，采用先進的矢量控制調速技術，以DSP為控制核心，精心巧妙科學的程序邏輯，以彩色液晶觸摸屏為人機對話界面，科學人性化的界面語言，全中文的語言顯示，便于操作及查詢。風光牌高壓提升機變頻器，即可用于鼠籠式電機也可用于繞線式電機，即可用于新礦井配套安裝，也可用于老礦井改造。風光6kV高壓提升變頻器，采用若干個低壓逆變器功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，所用的6kV高壓提升變頻器，變壓器有18組付邊繞組，每相分為6個功率單元，三相共18個單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分低于國標規定。高壓提升變頻器系統結構如圖2所示。功率單元電路如圖3所示。
控制器核心由高速32位芯片運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到較優的運行性能。人機界面提供友好的全中文監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。PLC控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，增強了系統的靈活性?？刂破骷案骺刂茊卧逯胁捎孟冗M的單片機等大規模集成電路和表面焊接技術，系統具有極高的可靠性。此外還有一個CPU，負責管理LED顯示屏和鍵盤。
另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統的統一控制器，方便調試、維修、現場培訓，增強了系統的可靠性。
高壓提升變頻器是整個電控系統的一個核心部分，它具有與電控系統相適配的各種接口。它接受操作臺電控系統的操作命令，同時它又將運行狀態，包括工作頻率、電機電流、電源電壓、電流及故障信息隨時送給電控系統。變頻器本身又將工作信號及工作狀態自動記錄以備查閱，依據用戶要求連接打印設備，每班數據打印，形成設備報表。變頻器的所有輸入、輸出接口均進行了隔離，避免對變頻器引入干擾。當電機處于負力提升時，變頻器實時檢測進行能量回饋電網。
2.2操作臺（雙PLC系統和中間繼電器）
操作臺上設有各種工況顯示設備，以彩色液晶觸摸屏為主要顯示設備，顯示各外部接點動作狀態，各模擬量回路狀態等，視覺更加直觀，便于維護保養工作。同時還具有必要的開關量、模擬量的數字顯示，可以獨立提供必要的提升數據，其中包括：安全回路指示燈，油壓數字顯示液壓表，減速、故障聲光報警顯示，高、低壓表，電流表等?？刂苹芈芳扔杏|摸屏軟節點控制，減少按鈕及繼電器觸點的維護量，又有繼電器線路硬接點的控制，應急備用。雙PLC及雙控制回路的操作臺系統更加經濟安全可靠。
3 改造方案
3.1原提升設備參數
副井提升絞車為雙筒式礦井提升機，型號為2JK-2.5/20，雙滾筒單繩繞線式，滾筒直徑是2.5米，直井，單罐籠。主要作為人員及輔料的運輸，啟動頻繁，負載變化范圍大。
提煤容器為箕斗，提媒工藝如圖4所示：
3.2高壓變頻器參數
風光高壓提升機變頻器為可以四象限運行的能量回饋型變頻器，采用較先進的矢量控制技術，加速時可以實現較大的轉矩輸出，加速時間縮小至較短，而減速時，可以控制電機在四象限運行，輸出制動轉矩，減速時間縮至較短，同時，將勢能轉化為電能，回饋至電網，從而達到節能的目的。風光高壓提升機變頻器具體參數如表2所示。
3.3改造方案
依據生產情況確定設備改造時間定于2011年9月中旬進行。為不大面積影響煤礦生產，把輔料預先下放到位，間歇性停機改造。改造順序如下：
（1）先把變頻器安裝到位，初步調試正常。
（2）然后進行主回路線路改造，主回路改造原理如圖5所示：
圖5中K1、K2、K3為三臺高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K1、K3與K2采用電磁互鎖操動機構，實現電磁和機械互鎖。K4為轉子側雙擲開關，變頻運行時，K4切換到變頻側，繞線電機轉子線圈經雙擲開關K4后處于短接狀態；工頻運行時，K4切換到工頻側，繞線電機轉子線圈經K4接至原調速電阻裝置。當K1、K3閉合，K2斷開，K4切換到變頻側，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合，K4切換到工頻側，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。另外，為了保證安全，變頻器高壓連跳信號和上一級的高壓斷路器也實現互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線圈，變頻器出現故障時，上一級的高壓斷路器斷開，實現高壓故障連跳功能。
（3）接下來進行操作臺的固定安裝，連接操作臺與變頻器之間的連線，調試操作臺與變頻器的信號傳遞，正常后把變頻器和操作臺聯入到原操作系統中統調，帶重載調試這是改造中的重點部分。整個改造工程流程如圖6所示：
（4）高壓變頻調速提升系統可以實現提升絞車的自動運行和手動運行兩種方式：
①自動運行方式
正常工作狀態下，利用變頻器及操作臺內PLC豐富的編程控制能力，通過設置適當的參數，變頻器完全實現自動化運行，極大地提高了提升機的運行效率及運行安全，大大降低了司機操作工的勞動強度。自動運行速度如圖7所示：
圖7中，以正轉為例，開機時低速爬行時間t1、收到減速信號后減速動作時間t2、中速運行時間t3、停機前爬行時間t4根據現場情況可以自由設置。提升機運行過程中，除開、停機外，可以不需要人工干預。
② 手動運行方式
手動和自動運行方式可在操作臺進行選擇，特殊負載運行需要的情況下可用手動方式，操作者通過主今控制器控制電機轉速，以實現電機的爬行、加速、減速、恒速運行，但在系統給出減速信號后，為保證整個系統安全，變頻器仍然會啟動機內自動減速程序。
3.4變頻器與主控臺的接口
變頻器與主控臺的接口主要如下：
變頻器接受主控臺的正轉、反轉、急停以及轉速給定等指令，變頻器反饋給主控臺的信號有：待機、運行、輕故障、重故障、旁路故障、輸出轉速及輸出電流等。
變頻器受高壓電后，主控臺通過檢測電機的待機信號，判斷變頻器已經可以運行，主控臺在自動模式下，通過控制變頻器，實現礦井提升機運行的5段速度曲線。
3.5變頻器有關參數設置
變頻器的加減速時間設置很重要，其設置根本原則有兩個方面，第一，盡可能利用變頻器自身的快速響應功能，加減速時間盡量短，提高箕斗的運行速度，提高生產效率；第二，最大加速度不允許超過國家安標，防止安全事故，基于以上兩點考慮，實際應用中，變頻器從0至50Hz的加速時間設置為11s，從50Hz至0Hz的減速時間設置為7s，經現場實際運行，完全滿足現場運行要求。
4現場應用情況及運行效果
從目前運行情況看，副井提升絞車變頻改造后，實現了電動機的真正軟啟動，縮短了提升時間，減少維護工作量，提高了生產效率。大大提高了提升機的安全運行。高壓提升機變頻器現場運行如圖8所示。
圖8 風光高壓提升機變頻器現場運行圖
絞車改造后，整個變頻提升系統具有如下特點：
（1）變頻系統甩掉了原電控調速用的交流接觸器及調速電阻，提高了系統的可靠性，改善了操作人員的工作環境。
（2）實現了絞車電機的軟起動和軟停止，使運行更加平穩，機械沖擊小。
（3）啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大啟動電流不超過1.3倍的額定電流，提升機在重載下從低速平穩無級平滑地升至最高速，也沒有大電流出現，大大地減小了對電網的沖擊。
（4）增加了直流制動功能，使重車停車時更加平穩。
（5） 節能效果顯著。據實測，在低速段節能明顯，一般可達到20%左右。采用回饋制動，節能效果越明顯。
（6） 保護功能齊全，除了過壓、欠壓、過載、過熱、短路等自身保護外，還設有外圍控制的連鎖保護，包括制動閘信號與正、反轉信號的連鎖，變頻器故障信號與系統安全回路的連鎖，機內備有自動減速程序等。對提升機運行過程中的參數及可能危及提升機正常運行的設備進行監測，并具有故障顯示、報警功能。
（7） 減少維護工作量，縮短了提升時間，提高了生產效率。
鑒于風光高壓提升變頻系統改造的良好效果，同期改造的主井提升系統也采用新風光電子公司生產的高壓提升機變頻器。
