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大容量高压级联变频装置在矿井提升机电控系统中的应用与实践

浏览次数: 日期:2010-11-3 14:27:40
内容摘要:本文介绍了多重化大容量级联式变频技术,应用于煤矿主副井提升机电控系统中,进行调速的技术改造情况,以及取得的实际效果。经实践表明,节约电能约为30%至50%;改善了设备控制性能,技术改造获得成功。关键词:变频调速  节能降耗  改善性能  技术改造 一、改造概况新集三矿主井为2JK-3/11.5E型落地式单绳缠绕提升机,提升容器为1对4.5t箕斗,年提升能力约60万吨。此次提升机电控系统改造,主要是由于主井需从-340m水平延伸至-550m水平。同时国家又明令要求淘汰高能耗的机电设备。因此,2008年8月份与合康合作,对主井提升电控系统进行了改造。鉴于主井改造效果良好,2009年3月份对副井TKD-E型转子串电阻电控进行了改造。副井为2JK-3.5/1.7E/11.5型落地式单绳缠绕提升机,提升容器:4.6t单层双车1t罐笼。副井有:+23.5m,-200m,-340m,-550m四个水平,为多水平立井提升,最大提升高度为573.5m,主电机功率为800kW。 二、改造方案在改造过程中,保留了原来的机械及传动部分(滚筒、减速箱)。主井由于水平延伸的需要,将YR630-10/1140型630KW交流电动机更换为YR800-10/1140型800kW电动机。主副井均将原转子串金属电阻电控系统完全拆除(受场地限制),采用高压变频器+PLC行程控制和速度控制+双线制监视保护和安全回路+上位管理计算机的控制形式。高压变频装置主回路采用交-直-交直接高压(高-高)形式,主电路采用多重化技术(CSML方式),将功率单元串联,叠波升压,以满足6KV系统需要。系统采用有速度传感器矢量控制方式,调速方式也因此由改变电机转差率改为通过改变电机电源频率而实现。高压变频调速装置将50Hz工频变成+50Hz~0~-50Hz连续可调的变频电源,电动状态时从电网吸取能量,使电动机产生电动力;制动状态时工作于逆变状态,将能量返回电网,使电动机产生制动力,完成对电机换向、启动、加速、等速、减速、爬行以及检修验绳低速运行等过程的所有工况的控制。单元串联脉宽调制叠波输出,相输出Y接,中性点悬浮,得到可变频三相高压电源。对于6kV系统,每相6个单元,大大削弱了输出谐波含量,输出波形几近完美的正弦波驱动电机。 三、改造效果1、调速性能好,调速范围宽。给定频率0~±50Hz连续可调,因而能够实现无级调速,调速性能好。原电控采用转子串八级电阻切换,低速爬行性能差,尤其是在对提升机钢丝绳进行低速验绳时,用低速继电器控制电动机自动给电和断电,使提升机在0.5~1.5m/s之间脉动运行,不能保持连续稳定的低速。采用变频调速后,由于低频拖动自然特性很硬,可以保持0.25m/s的低速平稳运行。调速范围宽,由原来16扩大到32。调速过程平滑精度高达到0.02Hz(0.0032m/s)。2、大大改善了提升机的性能,延长了设备的使用寿命。原电控在每一个提升循环周期内,需要两次给电启动(上电启动加速、高速等速运行、断电制动、上电启动、低速爬行、断电,进入下一个提升循环),启动频繁。虽然转子电阻能限制启动电流,但启动电流仍然很大,对电机及提升设备产生很大冲击,影响设备的使用寿命。而变频调速装置在一个提升循环中,只需一次给电。在加速时,频率从0Hz以0.02Hz的分辨率按照加速度要求升至50Hz,电压也逐渐升高到6KV,因而改善了提升机的起动性能,避免了提升机起动时对电网电压的冲击。在减速制动时,变频装置按照设计的减速斜坡降低频率进行减速,减速一定距离后,随着频率的下降自然过渡到低频爬行段,开始低速稳定运行,避免了制动时的机械冲击以及提升容器与装卸载设备产生过分的撞击。在减速和爬行过程中,完全不需要制动闸参与制动,制动闸仅用于正常停车抱闸。因此节约了电能,同时也大大减少了闸瓦磨损,更是消除了制动闸参与制动时产生的热量,所带来的潜在安全隐患。在转子串电阻电控系统中,由于制动闸经常参与控制,闸瓦与制动盘摩擦会产生大量的热量。热量经过闸瓦传导至制动油缸,使液压站油温升高,导致制动系统油缸密封圈损坏而漏油,使得制动闸与制动盘的摩擦系数减小而失去作用。尤其是在副井提升系统中,此种效果更为明显。3、节能效果明显,效率高。由于主要开关元件采用功率单元IGBT(绝缘栅双极型晶体管Insolated Gate Bipoar Transistor)同步整流技术,使得该变频装置满足提升机四象限运行的机械特性需要,从而实现能量回馈。 对于主井提升系统,改造前,在加减速以及低速爬行时大部分电能消耗在金属电阻中,而金属电阻将这部分电能转化为热量而散发、浪费,平均一个提升循环用电量为9.22kW/h;改造后,在加速和减速以及低速爬行过程中,通过改变频率进行调速没有转子附加电阻的能量消耗,平均一个提升循环用电量为5.744 kW/h。即改造后平均一个提升循环节约电量为3.476 kW/h,节电约为37.7%。因此,吨煤节约0.772 kW/h。按年产量75万吨计算,每年节约电量约为57.9万度。若每度电按0.55元计算,每年至少节省电费约31.8万元。对于副井提升系统更具有节能意义,除了没有转子金属电阻的电能消耗外,还表现在重物下放过程中,提升机将设备和物料的位能转化为机械能,机械能通过电机将其转化为电能,而变频装置又将产生的电能输送到电网中实现电能回馈。 经计算,平均每天节约用电1510.44 kW/h,每年节约用电55.13万度,按0.55元/度计算共节约电费30.32万元,节电约为47.53%。上述数据包含变压器的损耗。由于变压器的损耗在一段时间内无功损耗一定,因此随着提升量的增加,节能效果越明显。另外,主井改造前,一个提升循环时间为111秒;改造后,一个提升循环时间为100秒,减少了11秒。因此,每年增加提升能力约15万吨。在等速运行时,功率因数达到0.983,无需功率因数补偿。由于多重化技术从根本上解决了谐波问题,对同电网其他运行设备,至今未发生影响,因此也无需谐波抑制装置;系统总效率(包括输入隔离变压器在内)达到96%以上。4、易于实现自动化控制,降低了劳动强度,改善了操作人员工作环境。变频装置采用高速单片机运用矢量控制方式完成对电机所有控制,自动化程度高,停车准确。即使是在下放重物时,也不需要将多余的惯性力消耗于制动器上,易于司机操作,缓解了司机以往在操作过程中的高度紧张感,降低了操作人员的劳动强度。没有了加减速时电阻投切的噪声,改善了操作人员工作环境。5、设备少,可维护性好,节约了维护成本。该系统加速、减速、电气制动、爬行控制共用一套装置,无需高压换向以及电阻切换设备,设备占地空间少;拆除了大量的金属电阻和接触器,减少了维护量;采用模块化设计,更换功率单元时只需要拆除3个交流输入端子和两个交流输出端子,以及一个光纤插头与两个固定螺栓,就可以抽出整个单元,十分方便。更换一个单元不超过20分钟。自投入使用至今已有九个月未发生故障,平均无故障时间MTBF﹥5000h,可靠性高.因此减少了故障影响,减少了维修量和维护成本。该系统采用低频制动方式减速,既能完成减速段的低频发电制动运行,又能自然过渡并完成爬行阶段的低频拖动运行,如同自由停车一样,便于操作以及日常维护和检修。在整个提升循环中,钢丝绳振动小,运行平稳、可靠。经济效益显著,改造取得了预期效果。实践证明,多重化高压变频调速技术应用于矿井交流提升系统,节电效果显著,大大改善了提升机的控制性能,提高了劳动生产率。目前,该项技术在煤矿主井提升系统应用尚属首例,在淮南煤矿系统第一次应用,驱动功率达到800KW,运行平稳、可靠。该调速系统不仅适用于对耗能型的交流拖动系统进行技术改造,而且更适用于新建矿井对采用先进技术、提高装备水平以及节能降耗的需要。 四、结束语:交流变频调速传动克服了直流电动机的缺点,发挥了交流电动机本身固有的优点(结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等),其卓越的调速性能、显著的节电效果均已超过直流调速系统,将取而代之,成为电气传动的主流方向,具有广阔的应用前景,最具发展前途。
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