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亿万先生高性能变频调试系统应用于煤矿提升绞车

浏览次数: 日期:2010-12-7 14:17:04
内容摘要:本文对亿万先生高压提升变频调速系统原理及调速系统进行了阐述,并介绍了四象限高压变频调速系统对煤矿提升进行技术改造的概况。关键词:提升机 变频 节能 一、概述目前矿用交流提升机普遍使用绕线式电机转子串电阻调速控制系统。在减速和重物下放时能量通过转子电阻释放,能量不能回馈回电网,调速精度低,爬行速度不易控制,尤其是重物下放时,需要动力制动与转子串电阻及制动闸配合操作,司机不易控制,安全性能差。在减速时和下放重物时,投入动力制动,不仅消耗外加电能,而且还将电动机上的再生电能消耗在转子串接的电阻上,浪费了大量的电能,运行维护量大,维护费用高,司机操作难度大,劳动强度大。改造提升机,用变频调速系统替代原工频调速系统,同时保留原低频调速系统,使两套系统互为备用,增加系统运行的可靠性。随着变频调速技术的发展,交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机中应用。HIVERT—Y4 VF 06 6/061型。大功率变频器是北京合康亿盛变频科技股份有限公司研发和生产的高压交流电机调速驱动装置。该变频器采用了先进功率单元串联叠波技术,矢量控制技术,有源逆变能量回馈技术,可靠性高,性能优越,操作简单。可应用于四象限运行,带能量反馈,动态响应快,低速运行转矩大场合。 二、控制原理HIVERT-YVF采用转子带速度反馈的矢量控制技术。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。控制原理框图如图1。图1 控制原理图三、主电路图HIVERT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。(如图2)由单元串联式多电平变频器向高压交流电动机供电时,变频器和电动机都于高压等级的交流电网没有直接关系。电网电压经过二次绕组多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电,单项多个独立的低压PWM变频功率单元输出端串联起来实现变压变频的千伏级高压输出直接供给高压电动机。图26kV高压变频器主电路拓扑结构,电网输入6KV经过移相变压器变为6个低压,独立,移相二次绕组电源。每个二次绕组电源接入功率单元模块,经过整流,滤波和逆变输出单相交流电源,由此每相由6个额定输出电压为580V的功率单元串联而成,使输出的相电压额定值,线电压为,接近6kV,采用对调制波叠加3次谐波的方式,可以使单元输出PWM波基波幅值增加,整机空载时输出能力最高为输入电压1.15倍。     图3电源叠加图移相变压器的作用是降压,提供独立电源,电流多重化。降压可以使低耐压功率管降低dv/dt。独立电源是输出电压重组的要求,电流多重化可以电网侧电流谐波对电网污染少,二次侧通过不同的联接方式使它们之间的电流有相位差,反映在变压器一次,就形成多重化联接多阶梯波的电流波型,理论上可消除电网47次以下谐波,输入功率因数可达95%以上,不必采用输入滤波器和功率因数补偿装置。 四、单元主电路原理每个功率单元都是输入,输出的低压PWM电压型逆变器,它是交直交单相变频器,由三相整流环节,滤波环节,逆变环节构成。每个功率单元结构上完全一致,可以互换100%定额功率的能量回馈能力,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Q11~Q16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。以a相为例,若要控制a相电流正方向流动且幅值增大,必须使Q12导通,若要控制a相电流反方向流动且幅值减小,必须关断Q11,使电流通过Q12并联的续流二极管,当电机处于减速运行状态或负力提升时,由于负载惯性作用进入发电状态,其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电,使中间直流电压升高,电容器上的直流电压达到有源逆变起动的门槛电压时,自动起动有源逆变,这时逆变相位超前,功率单元将电机及其负载的机械能转化为电能,回馈到电网中去。反之则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。逆变器由4个IGBT构成,输出电压和频率均为可调,它有四种开关组合情况,(1)Q1和Q4同时导通,输出端有正的直流母线电压U。(2)Q2和Q3同时导通则输出端有负的直流母线电压—U。(3)Q1和Q3同时导通或Q2和Q4同时导通,则输出端电压为“0”,所以每个功率单元输出电压为U,0,—U三种状态电平,每相6个单元叠加,由于多重化PWM技术,即每一相各串联功率单元的载波信号错开一定的电角度与参考波进行调制,就可产生11种不同的电平等级,分别为±6V、±5V、±4V、±3V、±2V、±1V、0V经叠加可得具有13级阶梯电平的相电压波形和对应阶梯电平的线电压波形,使得输出波形接近正弦波,输出电流谐波小。逆变器采用多电平相式PWM技术,同一相的功率单元输出相同的基波电压,但串联各单元的6对载波(每对含正反向的信号)之间错开30°(以载波的周期来算),每个单元的输出实现多电平PWM,每个功率单元的IGBT开关频率为1kHZ,单相6个功率单元串联时,等效的输出相电压开关频率为6kHZ。采用功率单元串联,但不是用传统的器件串联来实现高压输出,所以不存在器件均压的问题。每个功率单元承受全部的输出电流。但仅承受1/6的输出相电压和,功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗。而高的等效输出开关频率和多电平可以大大改善输出波形,波形的改善,减小输出谐波外。还可以降低噪声。dv/dt值和电机的转矩脉动,所以这种变频器对电机无特殊要求。可用于普通笼型电机,且不必降额使用。对输出电缆也无特殊限制。这种主电路拓扑结构虽然使器件数量增加。但由于IGBT驱动功率降低,且不必采用均压电路吸收电路和输出滤波器。可使变频器的效率高达96%。由于采用模块化结构。所有功率单元可以互换,安装,维修方便。由于采用IGBT可控整流电路,能量回馈电网。变频器能四象限运行。 五、控制系统的构成控制电路要完成以功率,电机控制,多电平PWM,系统状态检测和保护,运行参数设定,参数和状态显示,通信,IGBT控制。1、控制器由三块光纤板,一块信号板和一块电源板,各板之间通过母线底板联接。光纤板通过光纤与功率单元传递数字信号,每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向功率单元发出脉宽调制PWM信号或工作模式。单元通过光纤接受其触发指令和状态信号,并在故障时向光纤板发出故障代码信号。信号板采集变频器的输出电压,电流信号和轴编码器信号,并将模拟信号隔离,滤波和量程转换,转换后的信号用于变频器的控制,保护,以及提供给主控板数据采集。主控板采用高速单片机,完成对电机控制的所有功能,运用矢量控制方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通信口与人机界面主控板进行交换数据,提供变频器的状态参数,并接受人机界面主控板的参数设置。2、开关量处理,接受和发送数字(开关)信号,接受的信号用光耦隔离,发送的信号用光耦隔离或采用继电器接点输出。3、IO板用于变频器内部开关信号以及现场操作和状态信号的逻辑处理,增强了变频器现场应用的灵活性。IO接口板有两路模拟量输入和两路模拟量输出的能力,模拟量输入用于设置时的设置信号和来自现场的流量,压力等模拟信号,这两路信号通过处理后送到人机界面进行模拟转换;模拟输出量是运行频率和输出电流。接口板还对单元柜,输入电流和输入电压进行采样,并计算出输入功率。4、控制电源系统包括220V隔离变压器,380V隔离变压器,整流电路,其电源分别来自220V及主电源,整流后为控制系统提供直流电源,双回路供电,保证系统的安全稳定性。5、人机界面负责信息处理和外部的通讯联系。人机界面由主控板,液晶显示屏和触摸键盘组成,显示变频器运行参数。通过RS232通讯口与控制器连接,通过RS485通讯口与IO接口板连接,实时监控变频器的状态,计算出电流,电压,功率,频率等运行参数和实现故障记录。 六、改造方案和现场实施情况原有的系统是:电控系统设备为TK5—IV型交流提升机电控装置,低频柜采用芬兰VACON公司生产的低压变频器(45CX4G2N1),提升机型号2JK—3/20A,功率315kW,电机型号JRQ158—10。改造内容:现有电控系统中低频系统保留,其余全部拆除,新安装一套高压变频调速电控装置,高压变频器为北京亿万先生公司生产的HIVERT—Y4 VF 06 6/061型630kVA。主控台采用两台西门子S7—314—2DP型可编程控制器,按安全回路双线制设计。逻辑编程简单,安全保护可靠,状态显示齐全,具备语言报警功能,具有完善的防雷系统,满足现有的各种电器闭锁要求,具有应急运行功能当主控PLC故障时,可以低频开车。变频改造后,实现了提升机加减速过程的平稳控制,运行过程提升绳摆幅明显减小,人员升降舒适性明显提高,电动机启动电流与启动时振动显著降低;自动化电控系统很好的防止提升机过卷和过放事故发生;省去了转子串电阻造成的能耗,具有十分明显的节能效果;克服了接触器、电阻器绕线电机电刷等容易损坏的缺点,降低了故障和事故的发生率,给企业带来了实际的利益,串电阻调速系统占地面积大、发热量高、噪声大等问题也得到了解决。由于采用了高压变频控制技术,整个运行过程平稳,无级调速,乘坐舒适,减少了机械的冲击,延长了设备使用寿命,产生了非常可观的经济及社会效益。矿山提升机变频调速系统具有控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点,随着变频调速技术的日益成熟与能源节约要求的必然趋势,它正成为矿山提升机调速的发展方向。 七、总结:HIVERT-YVF系列变频器运用了通用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10%-30%以上),功率因数高(0.95以上),谐波含量极少,符合国家对电网要求的国家标准等优点。四象限高压变频器在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中,提高了矿山提升机控制技术和装备水平。高压变频器调速系统不仅大大提高了矿山交流提升系统的安全性和可靠性,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。实现提升全过程变频调速闭环控制,满足提升机各种运行工况及特殊载荷运行条件,符合《煤矿安全规程》要求。附安徽淮北矿业集团芦岭煤矿西部井绞车改造车房现场实景图
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