矿用中低压变频调速设备技术的现状分析

2016-04-25军申生太董淑棠顾潮青

中国煤炭 2016年3期

李军申生太董淑棠顾潮青

(1.同煤集团永定庄煤业公司,山西省大同市,037024; 2.潞安矿业(集团)有限责任公司漳村煤矿,山西省长治市,046032; 3.太原惠特科技有限公司,山西省晋中市,030600)

矿用中低压变频调速设备技术的现状分析

李军1申生太2董淑棠3顾潮青3

摘要阐述了矿用设备运行中存在的问题,研究了当前各种矿用变频调速设备的工作原理、系统组成、功能及使用情况,探讨了矿用变频设备使用中应该关注的问题及采取的措施,针对不同矿用设备应该根据使用对象和工况特点进行选型配套,为用户全面了解矿用变频技术现状和选型配套提供了良好的技术支持。

关键词矿用变频技术现状分析

Status analysis of technology of mining medium-low-voltage frequency control equipment

Li Jun1,Shen Shengtai2,Dong Shutang3,Gu Chaoqing3
(1.Yongdingzhuang Coal Industry Co.,Ltd.,Datong Coal Group,Datong,Shanxi 037024,China; 2.Zhangcun Coal Mine,Lu＇an Mining Group Co.,Ltd.,Changzhi,Shanxi 046032,China; 3.Taiyuan Huite Science& Technology Co.,Ltd.,Jinzhong,Shanxi 030600,China)

Abstract The problems of mining equipment in the operation were elaborated,the operating principle,system composition,functions and service conditions of various kinds of mining frequency control equipment at present were studied,the issues of concern and the adopted measures of mining frequency control equipment in use were discussed.Type selection and matching of different mining equipment should carry out according to using objects and operating conditions,which provided good technical supports for customers to overall understand the mining frequency control technical status and type selection and matching.

Key words mining frequency control technology,status,analysis

1　概述

目前矿用拖动电机的功率越来越大,电机直接启动时会产生4～8倍额定电流的大电流冲击,极易造成电网电压跌落,影响电网的稳定运行,频繁启动时极易烧毁电气元件,降低电机寿命,影响正常生产;矿用各种设备在停车时,传动系统的各处都存在着大小不等的间隙,在启动时如果传动系统尚未张紧之前就施加大转矩启动,就会产生严重的机械冲击,会引发断裂、剪切损坏和加剧磨损等一系列机械故障;矿用输送设备由于受到运输系统、地质条件和其它设备联动等诸多因素的影响,存在停车的随机性,再次启动时多为重载启动,存在难以启动的问题;矿用设备的拖动多数配置为大马拉小车,存在功率富裕量大、系统效率低以及无效损耗大等问题,多机拖动时又存在功率不平衡等问题.

随着电力电子技术及变频控制技术的发展,变频调速设备已经在煤矿得到大量的推广和应用.目前,根据设备的结构或用途,国内矿用变频调速设备主要有变频调速装置、矿用变频器和刮板输送机用变频器.由于变频调速技术具有高效节能、故障率低以及控制性能好等优点,在煤矿井下的绞车、提升机、局部通风机、带式输送机、刮板输送机、增压泵、采煤机牵引以及乳化液泵等负载的驱动上都得到了广泛应用,可以有效提高煤矿的能源利用效率、工艺控制及自动化水平,取得了显著的应用效果.

本文研究了各种变频调速控制技术的工作原理、系统组成及各自使用情况,并诠释了各种矿用变频器的差异.指出了矿用变频设备使用中存在的问题,并提出了应采取的技术措施,以防止因减少功能而引发的生产事故.在多种变频技术的条件下,为广大煤矿用户全面掌握变频技术现状、合理选型配套以及达到预期效果提供了技术支持,对合理使用矿用变频设备具有重要的现实意义.

2　变频调速控制技术及适应性分析

2.1标量控制技术及适应性

标量控制(V/F控制)是一种较为简单的变频控制技术,基本原理是在调频过程中对给定变化的电压进行控制,解决变频的同时又可以实现变压,称为VVVF,较为典型的是线性和平方标量控制.标量控制通过定子电压、电流和频率来间接控制电机的磁场和转子电流,依据的控制规律是在正弦稳态条件下确定的,这种控制规律在动态运行时,与电机的实际状态不符,不适用于动态过程的控制,所以标量控制技术常用于风机和水泵等负载.

2.2矢量控制技术及适应性

矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,达到控制异步电动机转矩的目的.具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式称为矢量控制方式.矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等.无速度传感器的矢量控制技术是当前应用最广泛的变频调速控制技术,其基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数,按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流(或者磁通)和转矩电流进行检测,并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流(或者磁通)和转矩电流的指令值和检测值达到一致,并输出转矩,从而实现矢量控制.这样就可以将1台三相异步电机等效为直流电机来控制,因而获得与直流调速系统同样的静态和动态性能.具有既可以控制异步电动机的转速,又可以控制转矩的性能,适用于煤矿既要求准确位置控制,又要求施力(或加速度)控制的场所,如矿用提升机.

2.3直接转矩控制(DTC)技术

直接转矩控制(DTC)技术强调的是转矩的直接控制与效果,其基本原理是直接控制电机转矩,使电机获得极高的响应频率,保证电机具有良好的速度和转矩控制能力.目前,国内外市场上只有ABB公司真正实现了直接转矩控制,在40 Hz以下典型的转矩响应时间在1～2 ms;带编码器的矢量控制和直流传动响应时间在10～20 ms,开环的标量控制响应时间大于100 ms.直接转矩控制可以在没有编码器或测速传感器等速度反馈的情况下,实现频率低于0.5 Hz的情况下提供1倍的额定转矩,大于0.5 Hz后可提供2倍的额定转矩,具有低速输出大转矩的特性,特别适应于重载起动场所,如刮板输送机和大坡度带式输送机.

3　各类矿用变频调速设备的使用现状分析

3.1变频调速装置的工作原理和使用

3.1.1工作原理

矿用变频调速装置,规定型号为ZJT,主要由整流器、滤波电路、逆变器和变频器控制单元等部分组成,其工作原理如图1所示.

图1　变频调速装置工作原理

由图1可以看出,其工作原理是把工频电源通过整流器变成脉动直流,经滤波电路滤波为平滑直流,然后利用半导体器件(一般为IGBT)组成的三相逆变器,将直流电变成可变电压和可变频率的交流电,由于采用微处理器编程的脉宽调制(PWM)方法,使输出电流波形近似正弦波,用于驱动异步电机,实现无级调速.

3.1.2 使用情况

变频调速装置无隔离换向开关和输出真空接触器,设备使用时需配接馈电开关;电机或外部电缆出现故障时,无法切断变频装置与外部的连接,容易造成设备损坏,一般只具备变频调速功能,在需要实现功率平衡或多电机驱动的控制时需外加控制箱;一般没有与集控或自动化系统联网的功能.

3.2矿用变频器的工作原理和使用

3.2.1工作原理

矿用变频器的规定型号为BPJ,主要由隔离换向开关、整流器、滤波电路、逆变器、输出真空接触器、变频器控制单元和开关控制单元部分组成,其工作原理如图2所示.

图2　矿用变频器工作原理

由图2可以看出,矿用变频器包含了变频调速装置的全部功能,输入端带有隔离换向开关,可实现供电电源的隔离;输出端配有真空接触器,系统故障时,输出真空接触器可以保护设备安全;开关控制单元一般带有简易的PLC功能,多机拖动时,可实现多电机的功率平衡,还具有集控、远控/本控等操作功能.

3.2.2使用情况

矿用变频器相对于变频调速装置的使用维护更为方便,保护更全面,不需要选配馈电开关,多机联动时,自身可实现集中控制,并可实现远控/本控操作;实现多电机驱动的功率平衡和在线无极调速.

3.3刮板输送机用变频器的工作原理及使用

3.3.1工作原理

矿用刮板输送机用隔爆兼本质安全型交流变频器,规定型号为BPJ1－400/1140G,是太原惠特科技有限公司根据刮板输送机特殊使用情况而研制的;型号中的G代表刮板输送机专用,其工作原理如图3所示.

图3　刮板输送机用变频器工作原理

由图3可以看出,刮板输送机用变频器由隔离换向开关、整流器、滤波电路、逆变器、变频输出真空接触器、变频器控制单元和开关控制单元构成了完整的矿用变频器,同时具备了相应的功能;由隔离换向开关、工频输出真空接触器和系统控制单元又构成了完整的磁力启动器回路,并具有相应的功能,是矿用变频器与磁力启动器的一体化集成.

系统控制单元具有完备的PLC功能,具有可扩展性和通讯功能,可实现集控、远控、本控和组网的通讯功能;在1.5倍额定电流以下可输出2倍的额定转矩,适应重载难启动;具有多电机的功率平衡功能,并能够实现机头机尾电机运行电流差小于5％;具有根据刮板输送机的工况,采煤机位置模糊控制功能,实现空载慢速、轻载低速、满载全速的节能控制;不论负载大小,功率因素都保持在0.9以上,减少了无功损耗;具有大富裕量的配置,达到了1.5倍以上的过载能力可满足刮板输送机载荷剧烈波动的工况要求;磁力启动器回路,可满足刮板机频繁点车和应急使用.

3.3.2使用情况

刮板输送机用变频器适应于刮板输送机的控制,无需配接馈电开关,就可满足刮板输送机的集控、远控和本控等各种控制要求.在节能控制模式下运行,还可实现节能降耗的目的,节能率达15％～20％,还可明显减少机械磨损.

3.4其它专用变频调速设备

在我国煤炭行业还专门为井下研制有局部通风机用双电源双变频器、乳化液泵站专用变频控制系统、带式输送机变频张紧装置等变频设备,在煤矿井下也得到了一定范围的应用,并达到了预期效果.

4　关注的问题及应采取的对策

4.1关注的问题

变频调速设备在煤矿井下应用日益广泛的同时,也带来严重的干扰问题.变频器的输入部分为整流电路,输出部分为逆变电路,都是由起开关作用的非线性元件组成的,工作时都会产生高次谐波,从而使其输入电源和输出的电压波形和电流波形发生畸变.电压和电流的高次谐波成分以各种方式把自己的能量传播出去,形成对变频设备本身和其它设备的干扰.这导致出现前级电磁启动器、馈电开关、低压保护箱等设备的误动作、控制系统误报警、控制总线误动作等,甚至在变频设备工作时其它系统设备无法正常运行,从而造成系统设备故障和生产事故.

4.2应采取的措施

变频设备的干扰类型主要为电磁辐射干扰、传导干扰和感应耦合干扰,解决对策可以概括为隔离或抑制干扰源、切断传播途径以及降低接收器对干扰信号的敏感性.一般通过以下手段解决电磁干扰的问题:采用隔离变压器隔离外界对变频设备的干扰,又可以隔离变频设备对外界的干扰;在变频设备的输入及输出侧增加滤波器,可以滤除大部分高次谐波;除传统的无源滤波器(LC滤波器)目前还在应用外,谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器,它串联或并联于主电路中,实时从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等且方向与之相反的补偿电流,这样使电网电流只含基波分量.这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行实时跟踪和补偿,且补偿不受电网阻抗的影响,因此受到广泛重视.其它还可以通过对设备和传输线进行屏蔽、合理的布线以及可靠正确的接地来进一步降低变频设备带来的辐射干扰以及感应耦合干扰等.

5　结论

(1)变频调速装置因无隔离换向开关、输出真空接触器和开关控制单元,使用中必须另配输入侧馈电开关,否则在系统故障时无法切断电源;需要多机拖动的地方,必须配备集中控制系统使用,否则无法实现集中控制及级联、远控等操作功能,设备选型时必须考虑相关的增配设备.

(2)矿用变频器一般具有隔离换向开关和输出真空接触器,可以取代原来的磁力启动器,实现调速、控制和操作,不用考虑其它增配设备即可使用.

(3)刮板输送机用变频器除了具有矿用变频器的功能以外,还增加了磁力启动器回路;内部配置的过载能力更大达1.5倍以上;具有节能控制模式,可以满足刮板机的重载难启动、负载突变和波动频繁的要求,在启动电流小于1.5倍额定电流下,输出2倍的额定转矩;功率因素保持在0.9以上;节能控制可实现15％～20％的节能效果;工频回路可以满足刮板输送机的点动等特殊要求和应急使用.

(4)其它矿用变频设备可以根据控制对象进行专用变频设备选型.

参考文献:

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(责任编辑王雅琴)

★煤炭科技·加工转化★

作者简介:李军(1975－),男,山西天镇人,硕士,大同煤矿集团永定庄煤业公司机电副总经理,主要从事机电技术管理工作。