時(shí)間:2010-01-05 11:19:38來(lái)源:ronggang
摘 要:變頻改造是礦井提升領(lǐng)域節(jié)能、安全技改的主要手段。本文分別對(duì)采用繞線(xiàn)式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式和變頻調(diào)速方式的提升機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行分析,結(jié)合開(kāi)灤(集團(tuán))蔚州礦業(yè)公司南留莊煤礦提升機(jī)變頻改造的現(xiàn)場(chǎng),介紹提升機(jī)系統(tǒng)變頻改造相關(guān)技術(shù),以及HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在礦井提升系統(tǒng)上的應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞:礦井提升機(jī)、高壓變頻器、矢量控制、能量回饋
一、引言
在礦井的各動(dòng)力設(shè)備中,提升機(jī)系統(tǒng)是最為重要、耗能最大的設(shè)備。提升機(jī)運(yùn)行的可靠性直接影響礦井的產(chǎn)能和人員、設(shè)備升降井速度,直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)水平;同時(shí)提升機(jī)的調(diào)速方式也是對(duì)噸煤電耗水平影響最大的因素。
長(zhǎng)期以來(lái),礦用提升機(jī)普遍使用繞線(xiàn)式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行調(diào)速控制。該方法成本較低,但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大,電機(jī)電流大,能耗高,且轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制電路復(fù)雜,接觸器、電阻器、繞線(xiàn)電機(jī)電刷等容易損壞,影響企業(yè)安全生產(chǎn)水平。隨著電力電子與電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,采用變頻調(diào)速的方法可以從根本上解決上述問(wèn)題。
二、繞線(xiàn)式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式的運(yùn)行特性分析
此方式通過(guò)切換交流接觸器或者可控硅,在電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串入不同阻值的電阻,起到調(diào)速運(yùn)行的作用。根據(jù)實(shí)際工況不同,一般電阻分成4-8級(jí),每級(jí)設(shè)有短接開(kāi)關(guān),如圖1所示(圖中為4級(jí)電阻調(diào)速系統(tǒng))。
在電機(jī)啟動(dòng)之初,所有短接開(kāi)關(guān)處于分?jǐn)辔恢?,所有電阻串?lián)入電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路。當(dāng)電機(jī)加速至一定轉(zhuǎn)速時(shí),閉合最靠中性點(diǎn)側(cè)的短接開(kāi)關(guān)(圖1中最下端開(kāi)關(guān)),電機(jī)轉(zhuǎn)子所串電阻減少,隨著電機(jī)進(jìn)一步加速,絞車(chē)司機(jī)依次閉合另外幾組短接開(kāi)關(guān),直至所有電阻被短接,電機(jī)運(yùn)行至最高速。
電機(jī)減速時(shí),先斷開(kāi)靠近電機(jī)繞組的短接開(kāi)關(guān),而后隨著轉(zhuǎn)速的降低依次斷開(kāi)另外幾組開(kāi)關(guān),直至所有電阻被串入轉(zhuǎn)子回路,進(jìn)入爬行階段,絞車(chē)到位后啟動(dòng)抱閘,同時(shí)斷開(kāi)定子側(cè)高壓斷路器。
根據(jù)電機(jī)學(xué)原理,異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子串聯(lián)不同數(shù)量的電阻情況下的輸出轉(zhuǎn)矩(即電磁轉(zhuǎn)矩)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示,圖中縱軸為電機(jī)的轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比,橫軸為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比,圖2中的5條曲線(xiàn)由上至下依次是串聯(lián)0至4級(jí)電阻時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)。串聯(lián)的電阻越多,低速下的輸出轉(zhuǎn)矩越大,高速下的輸出轉(zhuǎn)矩越小。
電機(jī)在串聯(lián)不同電阻時(shí)的定子電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示,電機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線(xiàn)如圖4所示。
在加速過(guò)程中,一般采用轉(zhuǎn)矩最優(yōu)的控制方式,即在轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性中串不同電阻曲線(xiàn)的交叉點(diǎn)處切換短接開(kāi)關(guān),此方式下,電機(jī)在加速過(guò)程中能獲得最大的輸出轉(zhuǎn)矩,且開(kāi)關(guān)動(dòng)作前后電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩連續(xù)變化。這一控制一般由絞車(chē)司機(jī)人工實(shí)現(xiàn),也有系統(tǒng)用PLC自動(dòng)控制完成。此控制方式下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)如圖5中黑色粗線(xiàn)所示,圖5中彩色細(xì)線(xiàn)與圖2相同;圖6為電機(jī)定子電流與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線(xiàn),黑色粗線(xiàn)為上述開(kāi)關(guān)切換控制方式下的實(shí)際曲線(xiàn),彩色細(xì)線(xiàn)與圖3相同;圖7為電機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線(xiàn),黑色粗線(xiàn)為上述開(kāi)關(guān)切換控制方式下的實(shí)際曲線(xiàn),彩色細(xì)線(xiàn)與圖4相同。
上述控制方式下,雖然電機(jī)能夠輸出最大的加速轉(zhuǎn)矩,但在加速過(guò)程中電機(jī)電流較大,約為2-3倍額定電流。因此在負(fù)載較輕時(shí),有時(shí)為了降低加速時(shí)的電機(jī)電流,絞車(chē)司機(jī)會(huì)適當(dāng)提高各開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速,在電流降至額定電流時(shí)切換短接開(kāi)關(guān),此時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、定子電流和從電網(wǎng)吸收的有功功率隨速度變化的曲線(xiàn)如圖9-12所示。
圖中可以看出,這種控制方式下,中速以上加速過(guò)程電機(jī)電流有所減小,約為1-1.7倍額定電流,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也有所降低,約為1-1.7倍額定轉(zhuǎn)矩,且脈動(dòng)增加,開(kāi)關(guān)動(dòng)作前后輸出轉(zhuǎn)矩有大幅跳躍,電機(jī)消耗的功率有所下降,但由于加速轉(zhuǎn)矩較低,加速時(shí)間較長(zhǎng),實(shí)際加速過(guò)程所耗電能并未減少。由于加速轉(zhuǎn)矩較低,因而此控制方法不適用于重載提升場(chǎng)合。
與轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制方式類(lèi)似,在低速爬行階段和加速的初始階段,電網(wǎng)提供的電能的大部分由電阻消耗,電能浪費(fèi)嚴(yán)重。
與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的方式相比,變頻調(diào)速具有電機(jī)電流小、電機(jī)工作平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、電機(jī)可控性高、節(jié)能等特點(diǎn)。
變頻調(diào)速按照控制方法主要有VVVF控制、滑差頻率控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等,其中,矢量控制能夠通過(guò)對(duì)電機(jī)的建模運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制,具有最優(yōu)的控制性能。本文所述HARSVERT-FVA系列高壓變頻器即采用此控制方法,其良好的控制性能,尤其適應(yīng)礦井提升機(jī)負(fù)載的需要。
在矢量控制方式下,變頻器能夠根據(jù)測(cè)量到的電壓、電流信號(hào),以及事先測(cè)得的電機(jī)參數(shù),根據(jù)內(nèi)建的電機(jī)模型,計(jì)算出電機(jī)的磁通位置、磁通幅值、輸出轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速。而后根據(jù)該轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的偏差,對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié),如需要的輸出轉(zhuǎn)矩大于設(shè)定的“最大轉(zhuǎn)矩”,按照最大轉(zhuǎn)矩輸出。
在設(shè)定的“加速時(shí)間”充分短的時(shí)候,電機(jī)按照最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行加速,設(shè)置“最大轉(zhuǎn)矩”為2倍額定轉(zhuǎn)矩時(shí),額定負(fù)載下電機(jī)加速過(guò)程的轉(zhuǎn)矩,電機(jī)電流、電機(jī)功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線(xiàn)如圖14-16所示。此時(shí),電機(jī)按照2倍額定轉(zhuǎn)矩加速,加速完成后,其輸出轉(zhuǎn)矩為實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩,即1倍額定轉(zhuǎn)矩。
在實(shí)際使用中,由于提升機(jī)系統(tǒng)一般對(duì)于最大加速度有一定的限制,因此“加速時(shí)間”一般根據(jù)期望的加速度進(jìn)行設(shè)置,按照該設(shè)置進(jìn)行加速時(shí),一般無(wú)需到達(dá)設(shè)定的最大轉(zhuǎn)矩,圖17-19為典型的加速時(shí)間設(shè)置情況下,負(fù)載為額定轉(zhuǎn)矩時(shí)加速過(guò)程的轉(zhuǎn)矩、電流、功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)。在提升機(jī)啟動(dòng)時(shí),先啟動(dòng)變頻器后松閘,此時(shí)電機(jī)施加最大轉(zhuǎn)矩;而后電機(jī)根據(jù)設(shè)定的加速曲線(xiàn)進(jìn)行加速,此時(shí)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩由負(fù)載和設(shè)定的加速時(shí)間(加速度)所確定,約為1.3倍額定轉(zhuǎn)矩,其中負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1倍額定轉(zhuǎn)矩,加速轉(zhuǎn)矩為0.3倍額定轉(zhuǎn)矩;隨著轉(zhuǎn)速的上升,物理系統(tǒng)的阻力有所增加,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩略有增加;到達(dá)給定轉(zhuǎn)速(額定轉(zhuǎn)速)后,電機(jī)停止加速,帶負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行,輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相同。
五、運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)情況簡(jiǎn)介
1.現(xiàn)場(chǎng)提升機(jī)基本情況
運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)位于開(kāi)灤(集團(tuán))蔚州礦業(yè)公司南留莊煤礦。開(kāi)灤享有“中國(guó)近代煤炭工業(yè)源頭”、“中國(guó)北方民族工業(yè)搖籃”的美譽(yù)。開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司的前身為“開(kāi)平礦務(wù)局”,始建于1878年,迄今已有130年的歷史,是中國(guó)最古老的煤礦。2007年,開(kāi)灤集團(tuán)公司生產(chǎn)原煤突破2978.62萬(wàn)噸,生產(chǎn)精煤754.88萬(wàn)噸,營(yíng)業(yè)收入突破150億元;2008年,開(kāi)灤集團(tuán)公司在全國(guó)500強(qiáng)企業(yè)排名中,名列291名,南留莊煤礦是其下屬的煤礦企業(yè)之一。
本次變頻改造的為主、副井提升機(jī)各1臺(tái),均為豎井雙箕斗提升機(jī),提升高度211米,最大運(yùn)行速度3.27m/s,最小運(yùn)行速度0.5m/s,配用電機(jī)為主井200kW/6kV,副井280kW/6kV,配用減速機(jī)減速比30倍,變頻改造前,使用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制系統(tǒng),調(diào)速電阻級(jí)數(shù)為8級(jí)。
圖23為提升機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片,圖24為提升系統(tǒng)原先所用調(diào)速電阻的照片。變頻改造前,提升機(jī)在啟動(dòng)時(shí)電機(jī)振動(dòng)較大,在低速爬行階段和加減速階段速度控制性能差,加減速過(guò)程轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、罐籠平穩(wěn)性較差、纜繩擺幅較大,人員升降舒適性差;升降、加減速過(guò)程完全由絞車(chē)司機(jī)手動(dòng)控制,控制不當(dāng)易造成過(guò)放和過(guò)卷事故。由于提升機(jī)頻繁啟動(dòng)和制動(dòng),在加減速過(guò)程中轉(zhuǎn)子所串電阻產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的能耗,再加上串電阻調(diào)速控制電路復(fù)雜,接觸器、電阻器、繞線(xiàn)電機(jī)電刷等容易損壞,已經(jīng)影響到了企業(yè)的生產(chǎn)效益。另外,串電阻調(diào)速系統(tǒng)還存在著占地面積大、發(fā)熱量高、噪聲大等缺點(diǎn)。
四、總結(jié)
本文根據(jù)電機(jī)學(xué)模型,著重分析了繞線(xiàn)式異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式和矢量控制變頻調(diào)速方式下的運(yùn)行特性,分析表明,在相同的負(fù)載下,與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速相比,矢量控制變頻調(diào)速方式下電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,電機(jī)電流小,低速段能耗低。變頻改造能夠顯著降低設(shè)備振動(dòng)、磨損,具有很大的節(jié)能效果。
2臺(tái)HARSVERT-FVA系列能量回饋高壓變頻器在開(kāi)灤(集團(tuán))蔚州礦業(yè)公司南留莊礦提升機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用證明了,對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造可顯著提高運(yùn)行平穩(wěn)性、人員升降的舒適性,降低纜繩擺動(dòng)幅度,降低電機(jī)啟動(dòng)電流,提高系統(tǒng)的整體可靠性、安全性,提高系統(tǒng)效率。
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