三電平變頻控制系統(tǒng)在錢家營礦暗立井提升機的應用

周柱

摘 要：由于生產條件的變化，錢家營礦由原瓦斯礦井變?yōu)榱送怀龅V井，需要對錢家營礦現(xiàn)有設備進行防爆性能改造。本著安全、可靠、先進的原則，錢家營礦同中國礦業(yè)大學、徐州中礦大傳動與自動化有限公司進行協(xié)作，對暗立井提升機防爆變頻電控系統(tǒng)進行了升級改造。

關鍵詞：防爆變頻；調速控制；可編程控制器

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.16.094

錢家營礦是開灤集團下屬的大型骨干生產礦井，年生產能力600萬噸。其-600水平的暗立井提升機擔負著-850新采掘水平的人料提升任務，是-850水平生產的“咽喉”通道，保證其安全穩(wěn)定運行是至關重要的。2011年，-850水平發(fā)現(xiàn)有瓦斯和煤層突出現(xiàn)象，考慮到礦井生產“安全第一”的原則，錢家營礦與徐州中礦大傳動與自動化有限公司合作，設計、生產并投入使用了國內首部基于三電平變頻的防爆變頻電控裝置的MW級礦用提升機。

1 三電平變流器的拓撲結構

電壓型變流器種類很多，三電平變流器屬于其中一種，它的電路是多電平變流器中在使用中比較實用的一種。我們通常在三電平高大功率變頻器的使用中，較多的采用空間矢量脈寬調制（SVPWM）把兩電平SVPWM的方法進行推廣，就能得到三電平，甚至多電平SVPWM。這個方法的控制對象是電動機內部高速旋轉的磁通矢量，主磁通是通過不同扇區(qū)的矢量來進行合成，很容易實現(xiàn)。圖1中變流器的每相橋臂有四個功率開關管SX1，SX2，SX3，SX4，兩個鉗位二極管DX1，DX2，和四個續(xù)流二極管DX3，DX4，DX5，DX6（x=a，b，c），鉗位二極管的用處是在開關管進行導通時，供出電流通道同時預防電容發(fā)生短路。

Sa1管和上鉗位二極管Da1共用一個IGBT模塊和驅動，Sa2和Sa3共用一個IGBT模塊和驅動，Sa4和下鉗位二極管Da2共用一個IGBT模塊和驅動。采用InfineonPrimePack封裝的三電平IGBT模塊主要包括FF650R17IE4FF1000R17IE4以及FF1400R17IP4。這些模塊內部都包含了兩個IGBT模塊，如圖2所示。

由母排雜散電感，IGBT在關斷瞬態(tài)會產生過電壓。Concept驅動板2SP0320為了限制IGBT關斷過壓，Concept驅動板2SP0320設有源鉗位功能，采用多個瞬時過電壓抑制管TVS（Dz）串聯(lián)，TVS的串聯(lián)等效電壓一般為1320左右。也就是說，對1700V的IGBT模塊，關斷過壓一般限制在1320V左右。

2 系統(tǒng)概述

MW級礦用提升機防爆三電平變頻控制系統(tǒng)采用“防爆交流異步電機+雙三電平防爆交直交變頻+全數(shù)字調節(jié)控制+多PLC網絡隔爆控制+隔爆上位機診斷與監(jiān)控”的控制模式，電壓等級為：1140kV，功率為：1000kW，和其他礦山設備匹配進行使用，實現(xiàn)大功率電力拖動系統(tǒng)調速控制的要求，從而完成四象限運行，滿足煤礦井下對大功率防爆變頻器的需求。

3 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)電控設備結構有：隔爆型整流變壓器、輔助變壓器、隔爆低壓柜和高壓柜、隔爆PLC控制柜、隔爆液壓站、本質安全型操作工作臺、隔爆型潤滑站和閘監(jiān)控系統(tǒng)等組成，具體設備組成如圖3所示。

4 系統(tǒng)的功能介紹

（1）根據(jù)防爆技術對煤礦井下電磁兼容性、散熱系統(tǒng)、功率無感母排的要求，研制出一套適合煤礦特殊環(huán)境使用的MW級大功率三電平防爆變頻器，可以實現(xiàn)井下生產現(xiàn)場對大功率防爆變頻器的需要。

（2）du/dt對電動機的絕緣性和功率器件的影響很大，在現(xiàn)場使用雙三電平結構后，發(fā)現(xiàn)影響很小。從而成功的降低了電磁干擾，提高了電網的服務質量，切實實現(xiàn)了系統(tǒng)的節(jié)能。而且在功率系統(tǒng)結構化設計中，背靠背拓撲使用非常方便，提高了系統(tǒng)的可靠性。

（3）在系統(tǒng)的控制方面，我們把電機和功率變換裝置作為一個模塊，利用矢量控制算法，在保證調速達到高性能的要求下，對網側諧波、網側功率因數(shù)等關鍵參數(shù)進行了調控，使系統(tǒng)在開關頻率較低和進線電抗較小的情況下進行運行，實現(xiàn)電網無污染和真正的“綠色變頻”。

（4）系統(tǒng)的提升速度可以按照設計的提升速度圖來自動實現(xiàn)，安全性能大大的得到了保障，減少了提升機的操作復雜性；若需要減速的時候，可以實現(xiàn)自動減速，此時提升機司機在控制提升機速度的時候不再用施閘手段，不會再有超速或者過卷的事故出現(xiàn)。

（5）提升系統(tǒng)安全保護、位置控制、全過程控制等功能可以利用可編程控制器進行自動實現(xiàn)，滿足了全自動功能提升機的要求。

（6）各種模擬量輸入、輸出的信號可以采用可編程控制器進行直接完成，使用起來更加精確、快捷和方便，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度。

（7）電動機的起動電流的控制可以通過電壓和頻率的連續(xù)可調來實現(xiàn)，不會再發(fā)生轉矩沖擊，減速器和鋼絲繩等設備的機械故障發(fā)生率大大減少了。

（8）上位機可以實時監(jiān)控系統(tǒng)各個部位的運行情況，而且可以記錄下各故障信息，例如記錄下總的提升勾數(shù)，每勾的提升時間、各個時期的提升量。

5 應用效果

該系統(tǒng)從2013年2月開始使用，從試運行到現(xiàn)在一直使用狀態(tài)比較穩(wěn)定。在前期的構建過程中，系統(tǒng)各個組成部分的硬件和軟件都進行了模塊化和結構化構建，切均具有自身的診斷功能，故障診斷能力強，各參數(shù)性能均達到預期目標。該系統(tǒng)的成功實施，減小了員工的勞動強度，減小了維修、維護量，提高了生產效率；提高了系統(tǒng)的安全可靠性；實現(xiàn)了大功率交流防爆異步電機的高效率、低損耗、高功率因數(shù)和低諧波運行；開創(chuàng)了國內自主研發(fā)大功率交直交三電平防爆變頻控制系統(tǒng)的先河，具有示范作用和很高的社會效益。

參考文獻

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