TMEIC TMdrive‐MVe2 高压变频器在本溪思山岭铁矿矿井提升机上的成功应用

• 关键词：提升机,提升机电控,高压变频器,东芝三菱TMEIC
• 作者：李羽，王清兰，李天喜，曹永刚，邵贤强
• 摘要：矿井提升机是立井建设、生产过程中最重要的运输工具，提升系统的好 坏，不但直接影响矿井的生产，而且还影响矿井的安全和人身安全，是矿井建 设的关键设备。提升机系统里，最关键的部分是液压制动、电控系统和电机变 频驱动三大部分，而电机变频驱动部分是对电机原转子回路串电阻调速驱动系 统的升级换代，也是本文将要介绍的重点部分。本文详细介绍TMEIC MVe2 系列四象限提升机专用高压变频器在本溪思山岭铁矿矿井提升机上的成功应 用。

一、项目来源与矿井提升机对电控系统要求

1、项目来源 湖南涟邵建工集团是本溪思山岭铁矿建设项目的总包方，建设两口主井，井深均为1500m，在矿建阶段，每口井需两台提升机同时作业，共需安装四台提升机，其中两台为电机变频驱动系统，另外两台为电机转子串电阻调速拖动系统。一期工程采用单滚筒缠绕式提升方式，容器为座钩式吊桶，减速机为行星轮减速，异步电动机拖动。初期使用座钩式吊桶，当井深超过800m以后使用底卸式吊桶。

   工程所需的4套矿井提升机中，3套由洛阳中昶矿山机械有限公司设计制造，其中2套4米双筒提升机为高压变频调速电控系统，经多次方案论证后，洛阳中昶公司决定变频器选用东芝三菱TMdriVe‐MVe2系列四象限高性能矢量型提升机专用高压变频器。

2、矿井提升机对电控系统要求

1）根据提升工艺控制要求，电控系统应满足提升机的启动、运行、减 速、停车等控制过程，运行平稳可靠。

2）要求系统自动、手动、检修工作模式切换方便，以满足矿井提升控制及各种联锁保护要求。

3）满足提升机的行程监控和位置闭环控制要求，具有完善的深度、速度显示及变频控制功能。

4）要求系统能满足提升机频繁的正、反转运行状态切换特性；要求系统加、减速性能好，特别是紧急停车速度快而平稳，变频系统急停时不允许直流母线电压过高报警。

5）根据矿井提升机运行特点，变频系统应具有矢量型直接转矩控制功能，要求低速启动转矩大，过载能力强。

6）安全保护及联锁功能安全回路必须闭锁提升机的运行条件，只有当外部设备运行正常，具备开车条件后，才允许提升机运转；安全回路应闭锁提升机的全部重故障保护信号，故障一旦发生，提升机要立即实行紧急制动；对于提升系统出现的轻故障，允许完成本次提升，待排除故障后，提升机方可继续运行。联锁和保护的基本项目应符合煤矿与矿山安全生产的相关要求。

本次调试完成第1台提升机的工作。其中电动机选用兰州电机厂生产的矿井专用线绕式异步电机。

电动机参数见下表：

减速机参数：

主机参数：

初期座钩式吊桶参数

后期底卸式吊桶参数

矿建阶段，吊桶不但要负担把挖井产生的砂石废料运到井上，还负责人员的运输，所以整个提升系统的稳定可靠是最重要的。

二、 应用情况

本溪龙新矿业有限公司思山岭铁矿主井工程位于辽宁省本溪市东南郊16km，南芬区北9km思山岭村北侧。地理位置如下：

   根据主机参数和提升工艺要求，东芝三菱（ TMEIC ）提供了TMdrive‐MVe2‐2800kVA/10kV提升机专用变频器，该变频器具有四象限运行功能，适用于矿井提升机类型负载，具有V/F控制、无速度传感器矢量和有速度传感器矢量控制等多种控制方式。

   MVe2提升机专用变频器根据工程情况可以做双机方式运行，即2台变频器驱动1台电动机，在提升机应用上可以做全载全速运行，也可以在某一台变频器故障时做全载半速运行，大大提高了矿井提升机运行的可靠性。

   变频器采用真彩触摸屏，触摸屏内置9种语言界面，可以完成变频器本地启停控制，转速转向控制，可以设置功能和参数，可以显示运行状态和故障信息等。电脑安装TMdrive‐Navigator软件后变频器通过网线可以和电脑连接，可以把变频器内部的各种曲线读到电脑上保存，并且可以把故障前23秒，故障后226ms的波形记录下来。

   本溪铁矿项目采用的TMdrive‐MVe2‐2800kVA‐10kV变频器的外形尺寸为：7000×2940×1400mm（宽×高×深），其中高度含散热风机。变频器采用强迫风冷散热，变频器室采用空调散热。变频器外形图如下图所示：

变频器外形图

   本溪铁矿项目现场采用日本欧姆龙的增量式旋转编码器，采用有速度传感器的矢量控制，使低速控制特性更硬，低速运行更平稳。在低于0.1m/s（换算成变频器运行频率为0.8Hz以内）运行时，转速非常平稳。

   现场安装调试从2014年10月25日开始，到11月6日带重载调试完毕， 整个调试经过了变频器空载调试，变频器带空电机调试，变频器带空滚筒调试， 变频器带空吊桶调试及重载调试几个阶段，整个调试过程非常顺利。

   滚筒挂绳过程中，提升机电控系统充分显示变频器拖动低速的平稳性；在带重载调试时，为了模拟井深800m时最重的负载，变频器能否平稳提升，用户采用挂双罐的方式来模拟重载，上罐装满渣土，然后再灌满水，增加重量，下罐灌满水，经过估算负载总重量在17吨左右，略小于800m井深18吨负载的重量，变频 PLC电控系统，在低速下平稳启动，上提下放多次，经过验证，变频 器具有启动转矩大，低速运行平稳等特征，且变频器保护全面、有效，变频器皮实可靠。下面为部分现场图片。

三、东芝三菱（TMEIC） TMdrive‐MVe2 提升机专用变频器简介

TMdrive‐MVe2高压变频器是东芝三菱（TMEIC‐Toshiba Mitsubishi‐Electric Industrial Systems Corporation）在全球市场推出的最新的高压变频器产品，产品涵盖3kV‐11kV电压等级，产品单机容量涵盖180kVA‐5000kVA功率段，是一款适用异步电动机、高速同步电动机和低速同步电动机（即低速直联的应用）的性价比极高的提升机专用高压变频器产品。

MVe2提升机专用高压变频器采用单元串联多电平电压源模式，针对不同电压等级，每相串联不同数量的单元，以10kV为例，每相串联5个功率单元，输入为IGBT整流，变频器的相电压输出为21电平，线电压输出为41电平，输出电平数量超过其他单元串联多电平电压源方式的变频器，输出电压谐波含量更低，dv/dt更小，对电机的要求进一步降低。

图十三为10kV主电路机构图，每相串联5个功率单元，整套变频器仅15个功率单元，由于功率单元数量少，变压器可以和功率单元分开布置，大大增加了现场布置的灵活性。

图十三 10kV 主电路结构图

   图十四为功率单元电路结构图，功率单元采用对称结构的单相三电平AFE整流、三电平逆变输出，AFE三电平整流使变频器输入功率因数为1，整流和逆变采用三菱的IGBT，滤波采用日本指月（Shizuki）的自愈式金属薄膜电容，和电解电容相比，金属薄膜电容是干式电容，性能稳定, 耐过压能力强，对温度不敏感，过压击穿后自恢复，是长寿命电容。

图十四 功率单元电路结构图

   MVe2提升机专用变频器采用东芝专门开发的 32 位大功率电力电子PP7EX2专用处理器，使得变频器具有多种控制方式，适用不同特性的负载。高品质的三菱电机IGBT和日本原装自愈式薄膜电容的使用，使得变频器的可靠性大大增强，变频器全面的保护，使变频器在各种复杂的应用中，都能快捷准确的保护。

   MVe2提升机专用变频器具有多种通讯方式，使得变频器组网方便，简单易用。

四、洛阳中昶变频调速电控系统的特点

1、电控系统特点本项目电控部分为洛阳中昶矿山机械有限公司设计的矿井提升机全数字变频调速控制系统，系统采用国际知名品牌日本三菱公司FX2N系列PLC和TMEIC公司生产的TMdrive‐MVe2提升机专用变频器组成，外部检测元件采用两套欧姆龙旋转编码器，分别安装在设备的卷筒左侧轴端和电机右侧轴端，用以检测提升机从不同位置反馈的速度信号，构成高压矿井提升机四象限变频调速闭环控制系统。

提升机电控系统具有如下特点：

1）采用三菱FX2N系列PLC进行提升全过程的逻辑控制，与传统电控系统 相比元器件数量大幅减少，可靠性大大提高。

2）采用两套PLC对系统进行主‐从配置，冗余控制，完全取代磁放大器、继电器等传统控制器件，具有两套完全独立的深度、速度检测，确保提升机电控系统的关键控制环节如减速、速度包络线、过卷、超速等能实现双线保护，使提升机整机的安全可靠性显著提高。

3）选用东芝三菱（TMEIC）TMdrive‐MVe2系列10KV电压源高性能变频器， 单元采用IGBT器件进行PWM整流，可再生制动，四象限运行，减速时可将电机和负载的动能变成电能回馈给电网，无需制动电阻就可实现快速的减速和制动，使提升机的加、减速过程平滑可靠，提高了设备运行的稳定性,节约了电能。

4）采用国际品牌欧姆龙旋转编码器和数字仪表控制提升高度和速度、液压站油压、润滑油压等，欧姆龙旋转编码器进行系统采样和定点控制，使得深度指示精确稳定，保护更加完善可靠。

5）TMEIC变频器的双闭环矢量控制技术，特别适合于矿井提升机的低速大启动转矩的恒转矩负载，使提升机的电气传动功能更加安全可靠。

6）通过两套PLC之间的串行通讯连接，实现了系统的网络化控制特点，极大地减少了设备之间的连线数量，降低了安装接线成本。

7）系统对提升机的运行状态进行多画面实时监控，对系统故障做到准确显示，实时报警，实现提升全过程的位置、速度监视，具备齐全的人机对话及记录显示功能。具有历史记忆和故障记录功能。

2、变频器和电控系统连接方式 变频器和电控系统之间采用硬接线的方式连接，整个系统控制接线表如下：

注：以上信号方向定义均以变频器为准。

3、电气主控系统部分PLC原理接线图

  电气主控系统PLC部分功能原理接线如图16、17所示。

图十五 主控PLC系统部分信号接线原理图

上图中FX2N-16EX为主PLC输入扩展模块。由于主控PLC输入点不够用，本系统中扩展了2个输入扩展模块，主要用于连接变频器的数字输出接口信号，例如高压变频器发出的准备就绪信号，允许高压合闸信号，变频运行、变频故障信号等。此外，还有液压油温过高、油温过低，润滑油温过高、过低信号等。PLC根据油温高低限信号，自动控制液压站、润滑站的油温度满足系统工艺要求。

图十五中的FX2N‐4AD为模数转换模块，FX2N-4AD中4表示4个通道，A表示模拟量，D表示数字量，就是将模拟量转换为数字量，4AD的电源借用主PLC的DC24V电源，4个通道分别为CH1、CH2、CH3、CH4。它将变频器传来的力矩信号、频率信号、主机电流和母线电压这些模拟量信号进行变换后，以数字量形式存入PLC内存的数据存储单元中，通过软件处理标定量程后送入上位机显示。在本系统A/D转换中各模拟输入通道分配如下：

CH1设置为电机转矩信号；

CH2为变频器输出频率信号；

CH3为电流信号(即工作电流)

CH4为变频器母线直流电压信号。

图十六为PLC的输出接线图。从图中可看出Y30为变频器运行/停止信号，接变频器的运行命令端口。Y32接正、反向控制端，当Y32输出”1”电平时变频器反向运行，Y32为“0”电平时变频器正向运行。Y34为紧急停车命令。其他输出如Y1\Y2\Y3分别为开车信号、蜂鸣器报警输出和电铃报警输出信号。

图十六 主控 PLC 系统输出部分接线图

Y20‐Y23为G3、G4、G5、G6电磁阀控制端，当系统出现重故障时Y20、Y21输出为“0”电平，Y22、Y23视吊桶位置确定输出状态。

4、指示仪表

PF:频率表，指示变频器输出的当前工作频率，指示范围为0‐60HZ。

PA1:毫安表，检测比例阀放大器线圈工作电流的大小，它直接反馈闸控系 统制动压力的大小，是系统监视的一项重要参数。最大指示范围为0‐750毫安。

PA2:主机电流表，指示变频器输出主回路电流的大小。

PV:10kV 电压表。监视供电系统的供电电压正常与否。

五、结论：

1. 根据提升机的运行特点，选用东芝三菱（TMEIC）MVe2 提升机专用高压变频器对矿井提升机进行调速，完全满足提升机频繁正、反转启动特性及过载冲击要求。启动、停车及加、减速平稳。

2. MVe2系列高性能变频器采用IGBT器件PWM整流，减速时可将电机和负载的动能变成电能回馈电网，使提升机的加、减速过程平滑可靠，提高了设备运行的稳定性且节约了电能。

3. 采用欧姆龙旋转编码器进行系统采样和定点控制，使得深度指示精确稳定，保护更加完善可靠。

4. TMEIC变频器采用带速度反馈的矢量控制技术，特别适合于矿井提升机的低速大启动转矩负载，使矿井提升机的运行更加安全可靠。

5. 通过两套PLC之间的串行通讯连接，实现了系统的网络化控制特点，极大地减少了设备之间的连线数量，降低了安装接线成本。

6. 系统对提升机的运行状态进行多画面实时监控，对系统故障做到准确显示，实时报警，实现提升全过程的位置、速度监视，具备齐全的人机对话及记录显示功能。

从本项目的应用情况和特性看，TMEIC的TMdrive‐MVe2提升机专用变频器 是一款性能极其优异的高压变频器，非常适合矿井提升机驱动。

而且MVe2提升机专用变频器具有双机功能，即使用两台变频器拖一台单绕组或双绕组电机，该方式可以在提升机变频调速应用中广泛使用，即使两台变频器中的一台故障时，也可以全载半速运行。采用双机MVe2提升机专用变频器驱动的提升机功率可以覆盖至5500kW。

MVe2提升机专用变频器还可采用先进的主从控制功能，可以在多机驱动的负载中，保证各负载间转矩误差小于1%。

总之，东芝三菱（TMEIC）MVe2提升机专用变频器是一款性能优异、质量可靠、体积小、效率高、适用性广泛的高压四象限变频器，非常适合重载启动的恒转矩负载和提升机负载，可以拖动异步电动机，高速同步电动机和低速同步悬臂电动机。

参考文献：

1、《节能中压变频器 TMdrive‐MVe2 系列》选型手册……东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司

2、J2CB0205rA.PDF……东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司

3、TMEIC 中压变频器调试报告……东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司 孙艳棚

4、交流提升机 SPLC 电控设备使用说明书……洛阳中昶矿山机械有限公司 李 羽