大型立井提升及低速變頻拖動技術(shù)的應用

王錦鵬 趙鯤

摘 要：結(jié)合立井提升機拖動要求，本文設計了一種低速同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)，以實現(xiàn)礦山大功率電機調(diào)速控制。

關(guān)鍵詞：提升機；變頻拖動；雙三電平；數(shù)字調(diào)節(jié)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.162

1 簡介

立井提升機是礦山企業(yè)的咽喉設備，現(xiàn)代大容量立井提升機多采用低速大轉(zhuǎn)矩電動機直聯(lián)拖動方式，存在功率因數(shù)低，傳動效率低、諧波含量高易對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染等缺陷，現(xiàn)逐步被交流拖動所取代。本項目的主要是通過中礦傳動研究成果，將低速同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)國產(chǎn)化并推廣應用，達到降低投資，提高設備安全可靠性和提高運行效率之目的。

2 詳細技術(shù)內(nèi)容

中礦傳動生產(chǎn)的ASCS-8大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對交流同步變頻電機的控制，采用變頻器為雙三電平，可以實現(xiàn)數(shù)字DSP調(diào)節(jié)，完成PLC網(wǎng)絡控制，并利用局域網(wǎng)實現(xiàn)信息連接，實現(xiàn)上位機診斷與監(jiān)控。配合其他礦用設備，可實現(xiàn)礦山大功率電機調(diào)速控制。

從拓撲結(jié)構(gòu)來看，其主功率回路如圖所示，采用了可控的前端脈寬調(diào)制（PWM）整流器，能對相控整流和不控整流缺點進行消除，能實現(xiàn)AC/DC變換性能控制，并完成網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)和正弦電流控制，促使能量雙向流動。將功率調(diào)至單位功率因數(shù)，系統(tǒng)諧波含量可以得到有效減少，減少網(wǎng)絡中的電流紋波和電壓畸變，減少了無功及諧波帶來的附加損耗，運行效率得以提高，實現(xiàn)了“綠色”電能的變換。FLUKE435電能質(zhì)量分析儀測量的功率、電能以及網(wǎng)側(cè)電流諧波含量，實際達到1.48MW，功率因數(shù)0.98，諧波含量不超4.2%，符合相關(guān)規(guī)定。同時PWM整流器的直流母線電壓可控，可實現(xiàn)前端整流器和后級逆變器解耦控制，同時后端的穩(wěn)定性也得以提高，能在四象限運行的電氣傳動場合得到較好應用。

全數(shù)字變頻矢量控制器采用32位數(shù)字信號處理器，可進行速度和電流的閉環(huán)控制，并進行單位功率因數(shù)、變頻矢量控制。

采用高性能矢量控制算法，實現(xiàn)高性能調(diào)速，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)諧波等系統(tǒng)關(guān)鍵指標調(diào)控，降低開關(guān)頻率、進線電抗，減少電網(wǎng)污染，實現(xiàn)“綠色變頻”。

根據(jù)位置給定值，可確定速度給定值。結(jié)合軸編碼器反饋得到的實際位置，可對速度給定值進行實時調(diào)整，使提升機完設計曲線運行。結(jié)合反饋得到的位置值，可確定停車時間。系統(tǒng)采用全數(shù)字控制方式，可添加加速度導數(shù)實現(xiàn)速度拐角絕對的平滑變化（速度給定曲線為S型），減少設備沖擊和磨損，實現(xiàn)速度的精確檢測和閉環(huán)控制。而速度為0，施工作閘停車，不再靠磨閘瓦停車。系統(tǒng)采用高性能的傳動裝置，可對轉(zhuǎn)矩的靜態(tài)精度和動態(tài)響應進行確定。通過力矩預置，能避免提升機啟動時下墜，保證設備零速滿載時“懸?！?，減小設備受到的沖擊和磨損.

3 創(chuàng)新之處

采用TMS320F2812 DSP高端控制器；采用矢量控制，系統(tǒng)具有快速的動態(tài)性能，能滿足各種轉(zhuǎn)矩需求，且調(diào)速平滑無轉(zhuǎn)矩脈動，在重物下方時可對鋼絲繩泄力做到有償控制；采用的拓撲結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)3階輸出，減小電流總諧波畸變率，噪聲小，擁有較好的動靜態(tài)性能；系統(tǒng)開關(guān)頻率低，同時損耗較小，效率較高；利用AFE變流器，可實現(xiàn)主動四象限運行，最大限度減小諧波含量；在線電機參數(shù)辨識和自適應控制，使控制系統(tǒng)具有很高的魯棒性，使用不受場合和環(huán)境的影響；無速度傳感器技術(shù)的應用，解決了由于速度傳感器安裝不當或精度不夠影響系統(tǒng)性能的問題；無感疊層母線的應用，使主回路結(jié)構(gòu)緊湊，提高了可靠性；諧波含量?。恢剌d懸停功能和重載鋼絲繩自動補償功能實現(xiàn)是采用非線性懸?？刂破?，可應用于有速度傳感器或無速度傳感器矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中。

4 與當前國內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)的綜合比較

（1）同步機變頻系統(tǒng)較之直流轉(zhuǎn)矩響應更好，利用IGBT進行晶閘管的替代，控制周期3.3ms，頻率1kHz。

（2）在低速時，直流系統(tǒng)受電流紋波（3.3ms）影響；而變頻系統(tǒng)可零速全負載懸停。

（3）變頻系統(tǒng)換向火花無過載能力限制，較之直流系統(tǒng)性能更優(yōu)。

（4）同步電動機采用雙繞組時，與直流電動機電控系統(tǒng)一樣，都可以實現(xiàn)半速全載運行，大大提高了系統(tǒng)運行可靠性。

（5）同步機電控系統(tǒng)具有明顯的節(jié)電效果，與老系統(tǒng)相比，節(jié)電6776度，節(jié)電19.4%，考慮變壓器損耗和線路損耗，實際系統(tǒng)節(jié)電超過20%；與直流電控系統(tǒng)比較同樣運行72小時，可節(jié)電9%。

（6）重載懸停功能和重載鋼絲繩自動補償功能是其它拖動技術(shù)所不具備的。

5 推廣應用情況

集團公司羊場灣煤礦、任家莊煤礦、紅柳煤礦副立井提升機控制設計采用低速同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)，計劃2017年安裝使用。

6 社會效益和間接經(jīng)濟效益

神華寧煤集團公司金能煤業(yè)分公司、金家渠煤礦采用該系統(tǒng)，可配合其他礦用設備實現(xiàn)副立井提升機拖動調(diào)速控制。

（1）系統(tǒng)保護齊全，故障率低，能自動平滑的加減速，降低操作難度，避免超速、過卷等故障的發(fā)生，杜絕人為失誤帶來的安全隱患。

（2）提高設備舒適性。全程自動化控制，變頻調(diào)速連續(xù)平滑，人員乘坐十分舒適，機械沖擊小。

（3）無諧波污染，不干擾其它設備。同步電動機采用交直交變頻，功率器件為全控型器件，功率因數(shù)0.98以上，輕載時可實現(xiàn)無功補償。采用PWM抑制諧波，滿足國內(nèi)外標準，無需治理裝置。

（4）全自動加減速，節(jié)省了每勾提升時間，提高了產(chǎn)量。具有明顯的節(jié)電效果，可節(jié)電超過25%，特殊工況下節(jié)電更多，比如重物下放時可以把大量電能回饋電網(wǎng)。

（5）中礦傳動國產(chǎn)提升機控制系統(tǒng)與西門子公司的提升機控制系統(tǒng)相比其成本約為進口產(chǎn)品（西門子）的3/4。