荣信 高压变频器在九道岭煤矿交流提升系统的应用

• 关键词：荣信,高压变频器,煤矿
• 摘要：针对落后的交流绕线电机转子串电阻方式矿井提升机系统进行变频改造，对具体实施和改造后系统特点进行分析和说明，对变频系统的原理和特点进行了阐述，针对煤矿行业提升机的高能耗提出的现代化的解决方案。

一、项目概述
北票煤业是由省市县三级政府协调组建的股份制民营企业，公司以煤炭采选、油页岩采炼、机械制造加工制造为主业。公司下设冠山煤矿、三宝煤矿、台吉四井、台吉竖井、九道岭煤矿、选煤厂、铁路运输部、机电总厂、精密铸造厂、耐火材料厂、水泥厂、北塔油页岩公司等生产经营单位。
北票煤业九道岭矿提升机采用技术落后的转子串电阻交流调速电气传动方案，存在着较大的能量浪费；调节性能差；负荷启动对电机及电网冲击大，破坏设备绝缘、机械磨损加剧、降低设备使用寿命等突出问题。
针对系统存在的问题，本着节能降耗并实现科技进步的目的，荣信公司采用高压变频系统替换了原有落后的控制方式，除可避免上述技术缺陷外，高压变频还可节约大量电能，提高运力外，同时也是对企业降低运营成本，提升生产效率的有效手段。

二、原系统存在的问题   

● 转子回路串接电阻，消耗电能造成能源浪费；
● 因为电阻只能分级切换，该调速方式属于有级调速。它的固有缺点是设备运行不平稳，易引起电气及机械冲击；
● 起动电流和切换电流冲击大；
● 线绕电机滑环存在接触不良问题，容易引起设备故障；
● 设备体积大，发热严重使工作环境恶化（甚至使环境温度高达60℃以上）；
● 设备维护工作量大、维护费用高；
● 功率因数低。

三、变频改造方案

根据负载情况，普通高压变频器无法满足提升机系统的正常运行，故荣信公司采用RHVC-A06/2500-TF型四象限变频器一套，采用全数字PLC电控系统一套，共同组成全新的提升机变频电控系统，适用于2*1000kW双机提升系统，同时老系统作为备用。

3.1高压变频系统主要工作特性：
① 采用矢量控制技术实现主井提升机的正力和负力四象限牵引，实现电机的四象限运行；
②按PLC电控系统给定的速度图和有关指令实现主井提升机的速度控制；
③具有优良的调速性能；
④实现与机械制动闸的协调控制；
⑤具有在整个转速范围内空载及负载条件下优良的机械特性和满足10吨提升的带负载能力；
⑥具有完善的故障诊断和保护能力
3.2变频器参数：
高压变频器容量: 2500kVA
额定输入电压/允许变化范围： 6kV�10%
额定输入频率/允许变化范围：50�10%Hz
系统输出电压：0～6kV
频率输出范围：5～50Hz
输出频率分辨率：0.01Hz
变频装置效率：额定负载下 ≥96.5%
功率因数：＞0.95
谐波畸变：输入电压<2%，输出电压<3%，输出电流<3%< span="">
过载能力： 110%、1分钟
辅助电源：380V�10%  AC  50�1 Hz （三相四线）
控制方式： 闭环/开环
操作键盘： 嵌入式人机界面（中文）
环境湿度： ＜95%， 
冷却方式:  热管散热
绝缘等级： F级
噪声等级：≤80dB
防护等级:    IP21

四、变频器原理说明

荣信高压变频装置已通过国家权威高压变频装置测试中心—国家电控配电设备质量监督检验中心检验（型式试验），提升机四象限变频经过科技成果鉴定。

荣信RHVC系列高压变频器采用直接高压输入，直接高压输出（高-高）的方式，省去了输出升压变压器，采用1700V高压IGBT模块，每相6组串联满足6kV高压输出，大大简化了系统结构，提高系统的可靠性。

RHVC系列高压变频器采用目前国际流行的功率单元串联多电平技术，每个功率单元都是一台三相输入、单相输出的脉宽调制型四象限低压变频器，技术可靠，结构和性能完全一致，极大的提高了高压变频器的可靠性与维护性；采用叠波技术，最大限度的消除了高压变频器输出电压中的谐波含量，电压波形接近于标准的正弦波，大大改善了变频器的输出性能，是真正的“完美无谐波”高压变频器。

单个功率单元主电路结构如下所示：

功率单元主要由可控整流电路、逆变电路、控制电路、驱动电路、故障检测电路、通讯电路、显示电路等组成，单元输入侧串有回馈电抗器。另外，每个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。当功率单元发生故障后将会向控制柜发出信号，控制机将会及时的处理。
针对本项目，荣信公司采用最优的每相6个单元串联叠加方式，主电路如下所示：

变频改造后带来的收益：
交流电机因为其结构简单、体积小，重量轻、寿命长、故障率低、维修方便、价格便宜等诸多优点得以广泛应用，而交流变频拖动的提升主传动系统因为其低速调速平稳、能重载起动、有较强的过载能力等优良的性能将是矿井提升的发展方向。            

采用牵引型高压变频调速装置的变频调速提升系统与交流绕线电机转子串电阻调速方式对比，将给用户带来以下收益：

◆  提升机系统安全得以提高，操纵更加容易
    系统能自动高精度地按设计的提升速度图控制提升速度，极大地降低了提升机的操纵难度；减速时电力制动自动减速，提升机司机无需再用施闸手段控制提升机减速，避免了超速、过卷的发生，杜绝了人工操作失误。
◆  检绳对罐运行平稳受控
    特别设计的检绳对罐运行程序，在钢丝绳维护检查及罐道检查时,司机只需通过简单操作就可使绞车平稳运行在0—0.5m/s之间的任意速度。
◆   提升系统电能消耗明显下降
    每年可节约电能消耗约20-40%。
    变频调速时转子电阻被短接，加、减速阶段消耗在电阻上的大量电能被节约，系统减速时电机产生的能量直接向电网反馈。
◆  功率因数显著增加
    功率因数将从转子串电阻调速的0.8左右提高到0.95以上，大大提高了设备对电网容量资源的利用率，减少了因无功电流引起的线路损耗。
◆  生产效率进一步提高
    能可靠的按系统设计的最短时间加、减速，显著缩短了一次提升时间，提高生产效率。彻底解决了传统系统中用制动闸施闸或电机断电自然减速来操控低速运行时，速度波动大、难于控制又不安全的难题； 
◆  电机发热大幅减轻
    与转子串电阻调速相比电机定子温度平均下降10�C左右，转子温度平均下降20�C左右,使电机运行的故障率大幅度减少。
◆  系统维修量大幅度减少
    由于实现了提升全过程的电力牵引与电力制动，变频器能实现能量的双向流动四象限运行，机械闸只有在停车和安全回路保护动作时才起作用，因此闸瓦的磨耗大幅度减少；
    由于变频运行机械特性很硬，不易发生钢绳打滑，这将明显减少钢绳和钢绳衬垫磨损；
    由于电压和频率均连续可调，电动机的起动电流可得到有效控制，转矩冲击不再存在，明显地减少转子电阻有级变速出现的齿轮箱和钢丝绳等设备的机械故障，减少了设备的维修量和维修费用。
◆  人员和设备工作条件得到改善
    由于大功率调速电阻群无需使用，将彻底解决工作现场环境温度过高的问题；
    由于减速过程用电力制动代替机械制动，可消除机械制动闸瓦磨损造成的飞尘，司机的工作条件的将得到明显的改善；
    无谐波污染，不干扰其他设备H桥串联多电平高压变频器在本质上几乎不存在谐波污染，不需增加治理投资；高压变频系统对生产设备、安全设备和通讯设备等其他设备不造成任何干扰。

五、结论
荣信四象限高压变频器具有高度实用性和易用性，该设备用于矿井提升机电机控制：
1) 智能控制，节约人工。
2) 按需灵活调整，节能显著,改善工作环境。
3) 软启动,对电机机冲击小，延长设备使用寿命。
4) 对供电回路检测精准，对负载保护完善，保护及时合理，保障系统安全。
5) 可缩短提升时间，提高提升机的生产效率。
未来社会效益：该产品为煤矿井系统切实所需的安全节能高效设备。众所周知，在国内各种能源需求应用中煤炭遥居首位，且今后也将长期依赖。故该产品市场潜力巨大，得到广泛推广应用后，其每年可节约电能过百万，如在其它领域（如风机、泵类等）应用节能效果同样显著。若全面普及，每年可节约数千万资金，值得在行业内大力推广使用。

参考文献：
RHVC高压变频器用户手册．荣信电力电子股份有限责任公司 
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陈伯时，陈敏逊．交流调速系统[M] (第2版). 北京：机械工业出版社，2005.