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大功率双机拖动型矿井提升机变频调速技术研究

浏览次数: 日期:2011-11-8 13:55:02
摘要:主要介绍了一种大功率双机拖动型矿井提升机变频调速装置的研究与应用,采用矢量控制技术,实现了提升全过程变频调速控制。关键词:大功率;双机拖动;提升机;高压变频 一、引言在煤矿生产中,矿井提升机起着非常重要的作用,它是矿山生产的关键设备。提升机电控装置的技术性能,既直接影响矿山生产的效率及安全,又代表着矿井提升机发展的整体水平。因此,要求矿井提升机拖动系统具有安全可靠,运行高效且定位准确的能力。我国矿井提升机匹配交流异步电机拖动容量在1000KW以上的,多采用双电机拖动形式。以淮北矿业股份有限责任公司桃园煤矿主井提升机为例,该提升机型号为JKM-3.25/4Ⅱ,减速机型号为ZHD2R-140K;采用两台异步绕线型电动机拖动,电机型号为YR800-16/1730,800KW。原有提升电控系统采用交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统。系统主要缺点表现在:调速性能差,调速时能量要大量消耗在电阻上,给定方式落后,控制精度低,安全保护和监测环节不完善,安全可靠性差,维护工作量大,而且运行不经济。2009年,淮北矿业股份公司与北京合康亿盛变频科技股份有限公司进行合作,开发研制了HIVERT-YVF型大功率双机拖动型矿井提升机四象限高压变频调速装置,采用有速度传感器矢量控制的高压变频器以“一拖二”的方式来实现高精度、大转矩调速控制,在桃园矿主井提升机上进行了成功应用。 二、研究的内容和方法本项目主要研究内容为采用一台有速度反馈矢量控制变频器同时拖动两台异步电机,实现两台电机输出同样的转矩电流、励磁电流、转矩、功率分配均匀,整个调速范围内平滑无脉动,低速运行平稳,电流波形正弦度高。本项目研究方案主要有以下特点:1、采单套变频器拖动两套异步电机,实现了现场设备少,安全系数高,系统也得到了单变频拖到单电机的高可靠性。2、单套变频器驱动双电机的时候,由于双电机为硬连接驱动,其实负载为同一负载,这个时候,从理论上来说,因为双电机为同型号电机,基本特性一致,可以理解为双电机也就是为单电机的双绕组。经过实验及现场验证,所得到的效果确实为一电机的效果。   3、考虑到系统的安全、稳定性,在拖动系统中采用了主从控制系统中的速度随从控制,在出现单台电机出现意外的时候,起到预防型作用。在双电机尾端采用了轴编码器测试实际单电机转速,双机中任何一台可做为主机,另外一台作为从机。 三、矢量控制四象限变频器“一拖二”可行性分析矢量控制变频器实现一拖二的基本条件是2台电机参数完全相同或者接近。轴端硬连接双电机系统较单电机提升系统有诸多不同,尤其在传动部分有很大区别,减速机可以简单理解为3个齿轮咬合,2个主齿轮分别由2台电机拖动,与两个主齿轮同时咬合的半径较大副齿轮的出轴端与滚筒相连。只要2台电机转速、转向保持一致,既可以保证整个系统的传动正常运作。由于这种双电机硬连接方式在硬件条件上已经限制了在滚筒的终端转速是绝对一致的,假设2台电机的电动负载出现了不平衡现象,那反映到转速上2台电机仍然是一样的,只是其中一台电机在带动另一台电动运行,一台反而在发电运行。所以简单来说,只要保证了2台电机的转矩电流一致,即可保证电功率的平衡,并且转速已经一致,那么速度传感器只需要2台电机中的一个即可保证双电机系统的正常运行。那么如何来保证2台电机的转矩也就是出力一致呢?首先我们从异步电机的等效电路来分析对于两台电机的数学模型基本参数如何建立:     图1 异步电机稳态等值电路图上图是异步电机等效电路,U1为外加电压、R1定子电阻、L1定子电感、R2转子电阻、L2转子电感、Rm励磁电阻、Lm励磁电感、I0励磁电流、I1定子电流、I2转子电流、S为转差率。单台电机如此,假设两台电机并联,从上图可以看出,并联后电机等效参R1、L1、R2、L2、Lm数值均为单个电机参数的1/2,而空载励磁电流I0为单个电机的2倍。而转子时间常数的计算方法如下,Tr为转子时间常数:由上公式可以看出转子时间常数只与3个参数有关系,而随着总电流的同倍增大,的关系一直保持不变,所以Tr也是个常数与单台电机数值一致。由此看来,只要两台电机的等效数学模型一样或接近,即可将双电机系统当作一台双绕组电机来处理,只是励磁电流与转矩电流加倍而已。 图2 矢量控制框图HIVERT-YVF系列变频器采用有速度传感器矢量控制技术。在转子磁场定位坐标下电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变,控制转矩电流也就控制电机转矩。电机转速采用闭环控制。实际运行中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流IT。经过矢量变换将IT、IM变换为电机三相给定电流Ia*、Ib*、Ic*,它们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号。控制原理框图如上图。根据电机的转差计算公式 ,转差与电机转矩电流IT*成正比,与电机励磁电流IM*成反比。电机励磁电流IM*在额定运行频率下,与电机空载激磁电流I0相等;转差与转子时间常数成反比,由于并连后R2、L2均为单个电机参数的1/2,转子时间常数不变,而电机转矩电流IT*与电机空载激磁电流I0均增加一倍,因此转差计算公式不受影响,因此可以将传感器装在速度精度要求高的一个电机上,实现一拖二功能。如此执行该方案还具备一个优点,如果一个电机的电动负载突然增加,整个系统的转矩电流会突然增大,转差频率会增加,变频器输出频率会增加,除其本身的转矩会增加外,另外一台的转速也上升,达到了负荷转矩的自动动态分配,反之对于制动负载也完全适合。 四、系统组成及硬件HIVERT-VF系列高压变频器采用交-直-交直接高压(高-高)方式,主电路开关元件为IGBT。HIVERT-VF变频器采用功率单元串联,叠波升压,充分利用常压变频器的成熟技术,因而具有很高的可靠性。6kV系列每相6个单元,下图为6kV变频器系列的主回路示意图。 图3 变频器拓扑图功率单元:HIVERT-VF系列产品具备100%定额功率的能量回馈能力。其结构图如下: 图4 功率单元内部主回路功率单元利用IGBT进行同步整流,同步整流控制器实时检测单元电网输入电压,利用锁相控制技术得到电网输入电压相位,控制整流逆变开关管所构成的相位与电网电压的相位差,便可控制电功率在电网与功率单元之间的流向。逆变相位超前,功率单元将电能回馈给电网,反之电功率由电网注入功率单元。电功率大小与相位差成正比。电功率的大小及流向由单元电压决定,就同步整流而言,整流侧相当于一个稳压电源,与电功率大小及方向相对应的电网与逆变相位差由单元电压与单元整定值之间的偏差通过PID调节生成。输入侧U、V、W处的电压电流波形               同步整流状态                       能量回馈状态大功率双机拖动型变频调速装置于2009年9月份制造完成,10月初完成各项试验和验收。2009年11月,桃园矿利用停产检修时间,在主井安装了高压变频调速电控系统。通过现场调试、试运转,在各种工况条件下都能够满足提升工艺的要求,提升机运行曲线平滑,加、减速度调整、方便、快速。 五、结论本项目采用一台HIVERT-YVF06/250(变频器容量2250kVA,适配电机1800kW)的变频器来拖动2台800kW的异步电机(电机参数相同),该变频器是矢量控制、再生制动、四象限运行的变频器,功率平衡由变频器内核自己完成。通过在两台电机轴端部同时安装编码器(一用一备),通过参数的调整建立双电机数学模型,通过控制两台电机的励磁电流以及转矩电流达到功率平衡,从而实现一台变频器拖动两台电机的目的。尤其是采用了再生制动方式的变频器,使提升机在减速段或重物下放操作时变频器能自动转入发电反馈状态,使制动更平稳,操作更简单,有速度传感器的矢量控制的应用,使得变频器具有低频转矩大、调速平滑、调速范围广、精度高、操作简单的特点。运用了高压变频器的成熟技术,使得运行安全稳定、故障率低、基本免维护,技术先进、保护齐全,操作方便,节能效果显著(与原电阻调速系统相比,可节电20%),功率因数高(0.95以上),谐波含量极少,符合国家标准。大功率双机拖动型四象限高压变频器可应用于交流提升机转子串电阻电控系统改造及新提升机电控系统配置,提高了矿山提升机控制技术和装备水平,确保了提升机高质量运行实现了高转矩、高精度、宽调速范围驱动,是交流提升机电控系统发展的方向,应用前景广阔。2010年,该项目通过了安徽省科技厅组织的科技成果鉴定,其技术性能达到国际先进水平。
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