合康HIVERTYVF變頻器在礦井提升機上的應(yīng)用方案

雙機聯(lián)動直驅(qū)方案在礦井提升機上的應(yīng)用前言礦井提升機是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其作用是提升煤炭、矸石，升降人員和下放物料等，在整個煤礦生產(chǎn)中占有十分重要的地位。礦井提升機的安全、可靠、高效、準(zhǔn)確平穩(wěn)運行，集中體現(xiàn)在其電氣控制系統(tǒng)中，電控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響全礦的安全生產(chǎn)和礦工的生命安全。目前在礦井提升機領(lǐng)域應(yīng)用較多的是異步電動機的交直交變頻（200kW~2000kW）和大慣量低速直驅(qū)同步電機的交直交變頻（2000kW~8000kW），隨著矢量控制技術(shù)日益成熟，提升系統(tǒng)中交流同步電動機的變頻調(diào)速性能指標(biāo)日趨完善，逐步取代了以往的直流調(diào)速，成為大型礦井提升機控制的主流解決方案。HIVERT-TVF系列變頻器專用于低速同步電機的礦井提升系統(tǒng)。目前單機最大功率可做到4500kW，單電機功率等級有一定的技術(shù)限制，用兩臺電機同步驅(qū)動一個滾筒可以使提升功率加倍。合康變頻在低速大功率雙電機聯(lián)動直驅(qū)提升系統(tǒng)中已成功運行，現(xiàn)場配置兩臺3200kW同步電機，共同驅(qū)動多繩摩擦式提升機，至今應(yīng)用情況良好。本文就合康高壓同步矢量變頻器在蒙大礦業(yè)雙電機聯(lián)動直驅(qū)提升系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行簡單介紹。

圖1

變頻器現(xiàn)場圖

一、現(xiàn)場情況烏審旗蒙大礦業(yè)有限公司位于蒙陜交界區(qū)鄂爾多斯市烏審旗無定河鎮(zhèn)，是中煤集團(tuán)控股、遠(yuǎn)興能源參股的央企。變頻設(shè)備自2011年5月投運，穩(wěn)定運行至今?，F(xiàn)場概況，變頻器室如圖1、主井井塔如圖2、兩電機與滾筒連接如圖3。

圖2

井塔提升機外景圖

圖3

提升機結(jié)構(gòu)圖

蒙大礦業(yè)年產(chǎn)原煤5.0Mt，主井提升系統(tǒng)安裝一套容積均為40t的雙箕斗，擔(dān)負(fù)著全礦的原煤提升任務(wù)；提升系統(tǒng)主機參數(shù)、運行參數(shù)為：設(shè)備是多繩摩擦式提升機，主機型號是JKM-5.0×6（III），摩擦滾筒直徑5米，導(dǎo)向輪直徑5米，首繩摩擦鋼絲繩是6根，尾繩是3根；正常最大提升速度11.78米/秒，最大靜張力差500kN，井筒直徑6米，提升井深580.5米，兩臺同型號交流調(diào)速同步電機數(shù)據(jù)詳見表1。表1：交流調(diào)速同步電機數(shù)據(jù)

功率額定電壓額定電流功率因數(shù)額定轉(zhuǎn)速3200kW6000V329A0.982445r/min工作制勵磁電壓勵磁電流接法工作頻率S9268V320AY9Hz

二、雙電機聯(lián)動直驅(qū)的構(gòu)成雙電機聯(lián)動直驅(qū)是由兩臺同步電機的轉(zhuǎn)子與滾筒用一根軸連接在一起，滾筒在中間，電機分別在滾筒兩側(cè)，詳細(xì)描述及圖示如下。（一）左側(cè)電機、中間滾筒、右側(cè)電機，如圖3；（二）電機、滾筒相互之間通過大軸直連，如圖4、如圖5；

圖4提升機左側(cè)電機圖

圖5提升機右側(cè)電機圖

（三）導(dǎo)向輪可增加鋼絲繩的摩擦力、調(diào)整箕斗運行方向、調(diào)節(jié)多繩之間的間距，如圖6。

圖6

導(dǎo)向輪

（四）提升系統(tǒng)的兩箕斗，額定提升重量為40噸，最大負(fù)荷50噸。如圖7。

圖7

箕斗

（五）制動系統(tǒng)采用ABB雙閘盤液壓盤式制動器，且對稱安裝，根據(jù)現(xiàn)場需求采取工作制動和安全制動，如圖4、圖5為ABB盤式制動器分部。

三、雙同步電機提升系統(tǒng)方案（一）兩臺同步電機聯(lián)動直驅(qū)變頻調(diào)速現(xiàn)場由兩臺獨立的變頻器分別驅(qū)動兩臺同步電機，這種方式可提高系統(tǒng)整體驅(qū)動能力。單臺電機的驅(qū)動功率為3200kW，兩臺電機共同直驅(qū)一個滾筒，相當(dāng)于提升機功率提高一倍。兩臺變頻器分為主、從變頻器，變頻器之間通過光纖通訊方式保證變頻器的同時啟?？刂啤９饫w通訊不受外界干擾，通訊速度高，能更好地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制，達(dá)到功率平衡。在系統(tǒng)待機的情況下，兩臺變頻器可以進(jìn)行主、從控制交替變換，即可以將主變頻器驅(qū)動改為從變頻器驅(qū)動，同時也可以將從機驅(qū)動改為主機驅(qū)動。雙電機聯(lián)動直驅(qū)提升系統(tǒng)的好處在于：當(dāng)一臺變頻器或電機出現(xiàn)故障時，另一臺變頻器仍可以全載半速運行，為煤礦的不間斷生產(chǎn)提供保障。電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖8。圖8

電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（二）傳感器信號反饋裝置在電機轉(zhuǎn)子端裝有高分辨率的絕對值編碼器，該編碼器負(fù)責(zé)檢測同步電機的速度、位置數(shù)據(jù)，并實時傳輸給控制器，以完成同步矢量閉環(huán)控制。高分辨率絕對值編碼器的信號是13位并行信號，它通過信號控制器組件，將并行信號轉(zhuǎn)換成可以長距離傳輸?shù)母咚俅行盘?，實現(xiàn)了速度、位置的實時監(jiān)控。傳感器信號反饋裝置連接，如圖9。

圖9

絕對值編碼器位置信號傳送裝置四、蒙大礦業(yè)雙電機聯(lián)動直驅(qū)的應(yīng)用（一）變頻器的選型根據(jù)提升機系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)計算單臺變頻器的最大功率，最大正常運行負(fù)載40噸，電機角速度4.71弧度/秒，加速時間16.8秒，雙側(cè)空箕斗運行時提升系統(tǒng)總變位質(zhì)量317848kg；計算步驟如下：轉(zhuǎn)動慣量

加速扭矩

單臺加速功率

單臺恒速功率

單臺最大功率

通過以上運算，我們選用兩臺變頻器的型號為：HIVER-TVF10-06/500，其中單臺變頻器輸出電流為500A，容量5000kVA，輸入電壓10.5kV，輸出電壓6kV，滿足現(xiàn)場工況需求。（二）兩臺變頻器的現(xiàn)場控制一臺控制系統(tǒng)控制兩臺變頻器，使其適應(yīng)提升機的各種工作情況，變頻器按照預(yù)定的指令實現(xiàn)起動、運行、減速、低速爬行、停車、制動等。提升機電控系統(tǒng)與兩臺變頻器的電氣連接，如圖10。在提升機系統(tǒng)全速全載運行中，變頻器１與變頻器２同時驅(qū)動兩臺同步電機帶動滾筒轉(zhuǎn)動，電機尾部裝有測速機，測試電機運行速度并反饋給電控系統(tǒng)，提升箕斗滿載40噸時，速度是11.78m/s，加速度是0.7m/s2

，每臺變頻器的輸出電流為250A，電壓5980V；當(dāng)全載半速運行時，即用單臺變頻器驅(qū)動單臺同步電機帶動滾筒轉(zhuǎn)動，提升箕斗滿載40噸時，速度是５.６m/s，加速度是0.２m/s2

，變頻器的輸出電流為500A，電壓3700V。保證了當(dāng)一臺變頻器或電機出現(xiàn)故障時，另一套驅(qū)動系統(tǒng)可以全載半速運行，使故障的驅(qū)動系統(tǒng)迅速投入檢修狀態(tài)。

圖10

提升機電控系統(tǒng)、變頻器、電機的電氣連接

每臺變頻器與電控都有輸入信號、輸出信號。變頻器輸入信號：1、合閘允許

2、分閘信號

3、模擬給定（4~20mA）

4、正向啟動

5、反向啟動

6、遠(yuǎn)程復(fù)位；變頻器輸出信號：1、頻率輸出（4~20mA）

2、電流輸出（4~20mA）

3、運行指示

4、主從切換

5、故障輸出；兩臺變頻器之間通過光纖進(jìn)行通訊，如圖10。（三）現(xiàn)場全速全載運行曲線如圖11、12左側(cè)，曲線含義由左至右分別為：A、白色，BLX，提升機運行速度保護(hù)線；B、藍(lán)色，give，提升機速度給定線；C、綠色，CS，1#電機測速機速度反饋線；D、黑色，GBP，2#電機測速機速度反饋線；E、暗紅色，m，箕斗深度指示曲線（0~590m）;F、紅色，1#A，1#電機電流曲線；G、黃色，1#A，1#電機勵磁電流曲線；H、紫色，2#A，2#電機電流曲線；I、桃紅色，2#A，2#電機勵磁電流曲線；

由圖可知，兩變頻器運行具備如下特性：1、兩變頻器控制輸出電流平衡：圖中兩電機運行電流曲線，E、F曲線擬合在一起，在整個運行周期內(nèi)，兩電機電流相等，輸出力矩一致。運行周期曲線中加速段兩電機電流最大360A，恒速段兩電機電流260A，減速段兩電機電流曲線變化相同，即兩變頻器運行輸出電流相等。2、電機勵磁為恒勵磁控制：見G與I曲線，提升負(fù)載整個運行周期內(nèi)，兩電機恒磁，勵磁電流為320A，兩同步電機運行電流、電壓、勵磁電流相等，從而保證兩電機輸出力矩功率平衡。3、速度跟隨性好：見C與D曲線，在加速段、恒速段、減速段，兩速度曲線均擬合在一起，整個運行周期兩電機運行速度大小相等，運行頻率相同。綜上所述，當(dāng)電控發(fā)出指令給主、從變頻器時，變頻器同時驅(qū)動兩臺大功率同步電機，在整個提升運行周期內(nèi)，兩同步電機的運行電流、運行速度相等、輸出功率平衡。

圖11

提升40t正向速度曲線

圖12

提升40t反向速度曲線（四）變頻器輸出電流、電壓波形現(xiàn)場變頻器全速全載運行輸出電流為250A，電壓5980V，顯示波形如圖13。

圖13

電壓電流同相位圖（左），電流圖（右）

五、總結(jié)一套電控系統(tǒng)控制兩臺變頻器同時驅(qū)動兩臺同步電機，實現(xiàn)聯(lián)動直驅(qū)的技術(shù)方案是首次應(yīng)用于礦井提升機系統(tǒng)并一次性投運成功的案例。該項目從原理、結(jié)構(gòu)