四象限高压变频器在铁矿提升机上的应用

时间：2015-06-02 19:16:58

关键字：功率控制电源技术解析

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[导读]1 概述山东金岭铁矿始建于1948 年，是山东省开采历史最悠久的黑色多金属矿山，金岭铁矿资源丰富，目前保有地质储量6 000余万t;正在准备开发建设的王旺庄矿区储量5 300万t。

1 概述

山东金岭铁矿始建于1948 年，是山东省开采历史最悠久的黑色多金属矿山，金岭铁矿资源丰富，目前保有地质储量6 000余万t;正在准备开发建设的王旺庄矿区储量5 300万t。以盛产优质高炉富铁矿和伴生铜、钴、金、银等享誉中外。经过几十年的建设和发展，已成为采选、烧结、炼铁、生活服务、文教卫生自成体系的综合性大型国有企业。该矿副井(直井)提升绞车采用线绕式异步电动机，用转子串电阻的方法调速。这种系统属于有级调速，低速转矩小，转差功率大，启动电流和换挡电流冲击大，加之该提升系统还担负着人员、材料等提升任务，提升重量每钩都有可能改变，造成了提升系统在调速控制阶段速度控制较为困难，而且此井还有一个特点就是偏口特别多，井深只有400 m，井口1个，偏口分布为160 m处1个，220 m处1个，247 m处1个，280 m

处1个，340 m处1个。可以看出两个偏口间的距离是很近的，很多情况下是还没有加到全速就得停车，大量电能消耗在电阻上，而且停车位置不能很准确地定位。为改善提升系统运行的安全性、实现节能降耗和提高控制精度的目的，该企业决定采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37-315T四象限高压变频器对绞车的拖动系统进行技术改造。

原矿山提升机绞车电机有关参数：

型号JR157-10;

功率260 kW;

电流33.5 A/403 A;

电压6 000 V/415 V。

2 对高压变频器主要的技术要求

矿山提升机是铁矿等矿山企业生产的关键设备，一旦提升机不能正常工作，将使全矿停产，而造成巨大的经济损失，因此要求高压变频器具有极高的可靠性。由于提升机类负载对变频器有着不少特殊的要求，所以一般普通高压变频器不可能直接用到提升机上。总的来说，提升机对变频器的主要要求如下：

1)要求可靠性高;

2)要求能实现四象限运行，解决能量回馈;

3)要求有完善的数字控制功能;

4)技术指标要求高(例如启动转矩2倍以上，150%额定电流以下连续运行，180%额定电流运行1 min保护);

5)要求适应恶劣的使用环境;

6)运行速度曲线成S形，加减速平滑;

7)启动力矩、低频力矩、加速力矩、制动力矩有严格要求。

我公司依靠在低压提升机变频器和高压变频器开发中积累的经验，不断地进行技术革新，成功地开发了单元串联式高压提升机专用变频器，填补了国内高压变频器在提升机应用上的空白，产品已申请国家专利，产品国家专利号为ZL200320121533.2。

3 JD-BP37型高压提升变频调速器

根据与用户的协议，我公司为该提升机绞车配备了JD-BP37-315T高压提升变频调速器。

3.1 JD-BP37型高压提升变频调速器简介

该变频调速器选用最新型IGBT为主控器件，采用全数字化，彩色液晶触摸屏控制，是以高可靠性、易操作、高性能为设计目标的优质变频调速器;采用先进的矢量控制变频调速技术实现提升机的四象限运行，完成对鼠笼式电机或绕线式电机的控制，既可用于新建矿井，也可用于老矿井改造。

JD-BP37型高压提升变频调速系统由移相变压器、功率单元和控制器组成，所用的6 kV 高压提升变频器，变压器有18 组二次绕组，分为6 个功率单元/相，三相共18 个单元，采用36 脉冲整流，输入端的谐波成分远低于国标规定，高压提升变频器系统结构如图1所示。

用全数字化，彩色液晶触摸屏控制，是以高可靠性、易操作、高性能为设计目标的优质变频调速器;采用先进的矢量控制变频调速技术实现提升机的四象限运行，完成对鼠笼式电机或绕线式电机的控制，既可用于新建矿井，也可用于老矿井改造。

3.2 功率单元电路

每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其主电路如图2示，拓扑结构为交—直—交双向逆变电路。通过三相二极管整流桥整流，经滤波后建立起母线电压。当能量由电网流向负载时，逆变块A被封闭，逆变块B 实现正弦PWM单相逆变。当电机进入发电状态后，逆变块B中IGBT的体二极管又起全波整流作用，将再生能量转移到滤波电容中，使母线电

压升高，当达到一定值后，启动逆变块A，进行SPWM逆变，通过输入电感，返回到移相变压器的二次侧，将再生能量回馈到电网。由于提升机变频器的应用状况比较恶劣，频繁启停而且能量回馈，使储能电容承受很大的冲击电流，此电容原为极性介质电容，抗冲击电流的能力差，影响了使用寿命，因此更换为无极性电力电容，这种电容的优点就是抗冲击电流大，温升低，寿命长，只是成本高，但为了提高设备的可靠性，增加成本还是值得的。

3.3 输入侧结构

输入侧由移相变压器给每个功率单元供电，每个功率单元承受电机电流、1/6 的相电压、1/18 的输出功率。18个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。

3.4 输出侧结构

输出侧每相由6个功率单元的U、V输出端子串联后再接成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM 波形进行重组，可得到如图3所示的阶梯PWM 波形。这种波形正弦度好，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造;同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承的机械内应力和电疲劳现象。

3.5 控制器

控制器核心由高速DSP和工控PC机协同运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。工控机提供友好的全中文Windows监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。[!--empirenews.page--]

3.6 JD-BP37-315T主要性能指标

变频器功率315 kW

额定输出电流37.8 A

输入频率50 依5 Hz

额定输入电压6 kV

允许电压波动原20%耀垣15%

输入功率因数逸0.96

输出频率范围0~50 Hz

输出电压范围0~6 kV

频率分辨率0.01 Hz

加速时间可由用户生产工艺设定

减速时间可由用户生产工艺设定

变频器效率逸96%

过载能力150%以下和180%连续运

行1 min，200%允许1.5 s

防护等级IP20

4 基本控制功能

4.1 运行速度的控制

因不同的频率，对应不同的加减速速率，为了减少运行过程中的机械冲击，在提升机启动和停止过程中，做到加速度连续，在本装置的控制中，将不同频率时的加减速速率规划成一个表格，运行中用查表的方法确定对应频率时的加减速速率，使提升机平滑运行，减少机械冲击。

4.2 自动减速功能

在运行到终点时，由减速开关给出减速信号，PLC检测到减速信号后发送给控制器，由控制器启动自动减速程序，使工作频率按设定要求逐步变为低速运行。这对于多偏口的矿井来讲是很有好处的，不须人工控制速度，不会因为操作方面的原因使提升机偏离偏口。

4.3 再生能量处理

再生能量通过功率单元来处理，如图4所示。

电机处于发电状态，功率单元直流母线电压Vbus升高，当母线电压超过电网电压的1.1倍时，CPU根据比较器和相位检测的结果输出6 路SPWM 波形，使逆变块A中的IGBT工作，电动机的再生能量通过输入电感和移相变压器回馈到电网。

5 变频调速系统对原调速系统的改造

为了确保安全可靠，让变频调速系统与原调速系统并存，互为备用，随时可以切换。为了让操作者不改变操作习惯，电控操作系统还是采用原老式操作系统，工、变频系统都用原操作机构操作，如图5所示。

5.1 主回路改造

主回路改造如图6所示。

图6中虚线框内为工、变频切换柜。柜内两路输入，一路输出，隔离刀闸K3为变频器输出，直接接电机，隔离刀闸K2为工频输出，K1为变频器输入。K1、K3与K2互锁;K4为单刀双掷开关，用变频时需打到变频一侧将电机转子短接;用工频时，需打到工频一侧，将转子串入电阻。转换极为方便，新老系统互为备用，提高了系统的可靠性。

5.2 控制回路改造

由于原电控操作柜未做改造，因此变频器做了一套远控装置用做工、变频控制回路的切换装置。远控装置内用7个双刀双掷开关作为正、反转和五段速的切换部件，其原理如图7所示。

图7中，虚线方框内表示的是一个双刀双掷开关，LK3、LK4 分别表示主令控制器的正转和反转触头，LK5、LK6、LK7、LK9、LK11分别表示主令控制器的5个挡位触头。

所有控制开关切换至变频位置时，7组变频器控制线与主令控制器对应触头接通，相应工频控制线与主令控制器对应触头断开，系统切换到变频调速状态;所有控制开关切换至工频位置时，7组工频控制线与主令控制器对应触头接通，相应变频器控制线与主令控制器对应触头断开，系统切换到原工频

调速状态。

6 现场应用情况及运行效果

设备改造工程于2007 年2 月一次调试成功并通过验收。经过近半年的平稳运行表明，改造达到了预期目的，用户反映良好。使用变频器后电控系统有以下优点：

1)变频系统无须用原电控调速的交流接触器及调速电阻，节约了电能，提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境，使噪音及室温降低;

2)调速方便，实现了连续平滑调节，提高了控制精度;

3)实现了低频低压的软启动和软停止，使运行更加平稳，机械冲击小;

4)启动及加速过程冲击电流小，加速过程中最大电流不超过额定电流的1.3倍，提升机在重载下从低速平稳、无级平滑地升至高速，没有大电流出现，减小了对电网的冲击;

5)采用回馈制动技术，成功地解决了位能负载的再生发电能量处理问题，保证了变频器的安全运行;