高压变频器在煤矿主井提升系统中的应用

1 引言

　　大湾煤矿1990年开工建设，设计年生产能力90万t。1997年试生产。主提升机［jkm-2.8x4⑴c-dw］采用多绳摩擦式箕斗立井提升，每次提升9t，电控系统［jkmk/j-a-11ⅱⅰ］两级预备、八级加速，低频制动，垂直提升高度254m，在最后21m，由低频拖动进入罐道卸载。最高年提升量125.65万t，至2006年累计提升原煤614.7万t。

2 改造原因

　　我矿经过7年的使用挖潜，提升能力逐年提高，现有的提升能力已逐渐不能满足生产要求，原因有电气元件老化，故障发生频繁，并且因为所需部分配件市场不再供应，因此维修成本大大增加；监控器传动齿轮磨损误差增大;整个提升循环时间不受控，不能闭环运行;爬行段易产生环流，从而导致一个提升循环崩溃。据此，我矿经过研究认为，现有设备不仅已无潜可挖，并且故障频发对安全生产产生极大的隐患，必须对其进行设备改造。

　　同时，节能降耗是国家的重要国策，国家制定了《节能中长期专项规划》，对此，国家发改委制定了“十一五”国家十大重点节能工程，其中就包括了电机系统节能工程，对大中型变工况电机系统进行调速改造，对电机系统被拖动设备进行节能改造。

　　为了降低电机能耗，适应国家“十一五”规划中提出的节能降耗目标，响应国家发改委对电机提出的节能实施意见，提高生产效率，使之能够适应西部大开发的需要，所以，我矿决定对主井提升系统进行变频技术改造。

3 改造方案

　　3.1 设备选型

　　经过考察，我矿的主井提升机改造变频部分决定选择荣信电力电子股份有限公司生产的电阻制动型rhvc变频调速装置，其额定电压为6kv，额定电流为85a，额定功率为800kw，其性能参数如表1所示。

　　3.2 变频原理

　　根据异步电动机的转速公式：n=60f（1-s）/p，极对数p在电机制造完成以后是固定不变的常数，转差率s可通过串入电阻进行调节，但是此种方法有两个弊端：一是需要消耗大量的电能，实现不了节能的目标，二是串入电阻进行调速不能实现无级调速，而电源的频率f在现代技术下可以实现平稳无级调节，因此，电机的转速n要实现无级调速，就可以通过调节电源的频率f来实现。

4 变频系统

　　荣信公司的rhvc无谐波高压变频器是采用目前国际上先进的igbt功率单元串联多电平技术、数字控制技术、spwm脉宽调制技术及超导热管散热技术研制而成的系列高压电机节能调速产品。6kv系列rhvc根据用户需求采用4~6级功率单元串联，其基本拓扑结构如图1所示。输入侧是将高压经过高压开关柜加到移相变压器的原边，再根据电压等级和变频功率单元的级数由干式变频用移相变压器的副边分为多组，通过移相之后，分别给每个变频功率单元独立供电。输出侧由每个变频功率单元的两个输出端子进行相互串联形成u、v、w三相，再接成y型，给高压电机直接供电。通过控制系统对igbt的通断顺序进行控制，就可以实现调整电源相序的功能，不需要换向接触器即可实现电机的双向运行。

　　提升用rhvc主要由高压开关柜、变压器、控制部分、变频部分、制动电阻（再生制动型不用）五部分组成，并且可以根据用户需要提供其他设备。

4.1 功率单元

　　变频部分采用目前通用的功率单元串联h桥型多电平方式，变频功率单元采用模块化设计，在结构和电气性能上完全一致，可以通用互换。其基本拓扑为交-直-交三相整流/单相逆变电路。主要包括主控制板（包括控制电路、故障检测电路、通讯电路）、igbt驱动板、显示板、放电板等电路。整流侧为二极管三相全波整流，经过电容器把脉动的直流滤成稳定的直流电源。通过对igbt逆变桥进行正弦pwm调制控制，可得到正弦的单相交流输出。制动igbt负责把直流侧过高的能量通过制动电阻释放掉。过压抑制器是为了防止电压的瞬间变化损坏功率器件。起到能量吸收的作用，以达到保护逆变电路的目的。igbt等功率器件的散热采用先进高效的热管散热技术，大大提高了功率器件的工作安全可靠性。另外，每个变频功率单元都能显示自己的中间直流电压值、工作状态和故障信息等（原理如图2所示）。当功率单元发生故障后将会立即自行保护并向控制柜发出信号请求停机。

　　4.2 控制系统

　　控制柜由高速单片机、工控pc机和plc共同构成。单片机用于实现开环或闭环控制、pwm波生成控制、快速保护及网络控制等功能。工控pc提供友好的全中文windonws监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制，并且对变频单元掉电时的故障状态进行锁存。内置plc则用于开关量信号的逻辑处理，运行和故障联锁，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊需要。控制柜与变频功率单元之间采用光纤传导技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，可靠性大大提高。

5 应用效果

　　我矿在主井提升系统使用了变频系统以后，产生了良好的收益，主要包括了直接效益和间接效益两个方面。

　　5.1 直接效益

　　（1）在原系统中，虽然在爬行阶段使用了低频拖动系统，但是，电机使用转子串联电阻方式改变电机滑差率进行调速以及电机功率因数低两方面原因还是造成了电能的大量浪费。使用高压变频系统以后，相比原低频拖动系统仍然降低了电能损耗，经统计，2007年12月至2008年5月，共6个月的平均吨煤电耗为1.207kw.h，相比往年同期1.365kw.h降低了11.38%。

　　（2）原系统每个提升循环需要耗时120s，每小时可提升30个循环，使用变频系统以后，每个提升循环可节约10s时间，每小时可比原系统多提升2.72个循环，箕斗的核定载重为9t，在产能充足的情况下，每天可以提高产能589t，每年可提高产能21.5万t，而且系统还有不小的可以提速的空间。

　　（3）原系统故障率在5%以上，判断维修时间长，使用新系统后，一旦出现问题，模块化的备用单元可以立即投入使用，更换功率单元不超过15min，大大缩短了因为维修造成的停机时间，故障率降到1%以下。

　　5.2 间接效益

　　（1）高压变频调速装置在工频以下通过无级调速连续改变电源的频率，实现了电机的软启动，大大减小了启动冲击电流对电机本身、轴承以及减速器的冲击，延长了设备的使用寿命，进而降低的工人的劳动强度

　　（2）高压变频调速装置的无谐波特点使电机工作时对电网产生的污染大大降低，经过测试，整个主井提升机系统的功率因数达到了0.95以上，与原系统相比，提高了0.15以上，对改善电网环境起到了很好的作用。

　　（3）减少了设备的故障率，缩短了故障停机时间。使用高压变频系统代替原系统运行，使原系统备件短缺的现象得以解决，新的设备模块化设计使维修更加方便，一旦出现模块故障，20min内即可更换完毕。

6 结束语

　　大湾煤矿主井提升系统电控项目改造是一个综合的配套工程，高压变频调速系统是其中的主体工程，在该项目顺利运行之后，煤矿顺利实现了增产节能的目标，提高了企业效益，并创造了良好的社会效益，深受集团公司和我矿职工的欢迎。