三电平变频控制系统在钱家营矿暗立井提升机的应用

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  摘 要:由于生产条件的变化,钱家营矿由原瓦斯矿井变为了突出矿井,需要对钱家营矿现有设备进行防爆性能改造。本着安全、可靠、先进的原则,钱家营矿同中国矿业大学、徐州中矿大传动与自动化有限公司进行协作,对暗立井提升机防爆变频电控系统进行了升级改造。
  关键词:防爆变频;调速控制;可编程控制器
  中图分类号:TB
  文献标识码:A
  doi:10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.16.094
  钱家营矿是开滦集团下属的大型骨干生产矿井,年生产能力600万吨。其-600水平的暗立井提升机担负着-850新采掘水平的人料提升任务,是-850水平生产的“咽喉”通道,保证其安全稳定运行是至关重要的。2011年,-850水平发现有瓦斯和煤层突出现象,考虑到矿井生产“安全第一”的原则,钱家营矿与徐州中矿大传动与自动化有限公司合作,设计、生产并投入使用了国内首部基于三电平变频的防爆变频电控装置的MW级矿用提升机。
  1 三电平变流器的拓扑结构
  电压型变流器种类很多,三电平变流器属于其中一种,它的电路是多电平变流器中在使用中比较实用的一种。我们通常在三电平高大功率变频器的使用中,较多的采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)把两电平SVPWM的方法进行推广,就能得到三电平,甚至多电平SVPWM。这个方法的控制对象是电动机内部高速旋转的磁通矢量,主磁通是通过不同扇区的矢量来进行合成,很容易实现。图1中变流器的每相桥臂有四个功率开关管SX1,SX2,SX3,SX4,两个钳位二极管DX1,DX2,和四个续流二极管DX3,DX4,DX5,DX6(x=a,b,c),钳位二极管的用处是在开关管进行导通时,供出电流通道同时预防电容发生短路。
  Sa1管和上钳位二极管Da1共用一个IGBT模块和驱动,Sa2和Sa3共用一个IGBT模块和驱动,Sa4和下钳位二极管Da2共用一个IGBT模块和驱动。采用InfineonPrimePack封装的三电平IGBT模块主要包括FF650R17IE4FF1000R17IE4以及FF1400R17IP4。这些模块内部都包含了两个IGBT模块,如图2所示。
  由母排杂散电感,IGBT在关断瞬态会产生过电压。Concept驱动板2SP0320为了限制IGBT关断过压,Concept驱动板2SP0320设有源钳位功能,采用多个瞬时过电压抑制管TVS(Dz)串联,TVS的串联等效电压一般为1320左右。也就是说,对1700V的IGBT模块,关断过压一般限制在1320V左右。
  2 系统概述
  MW级矿用提升机防爆三电平变频控制系统采用“防爆交流异步电机+双三电平防爆交直交变频+全数字调节控制+多PLC网络隔爆控制+隔爆上位机诊断与监控”的控制模式,电压等级为:1140kV,功率为:1000kW,和其他矿山设备匹配进行使用,实现大功率电力拖动系统调速控制的要求,从而完成四象限运行,满足煤矿井下对大功率防爆变频器的需求。
  3 系统组成
  该系统电控设备结构有:隔爆型整流变压器、辅助变压器、隔爆低压柜和高压柜、隔爆PLC控制柜、隔爆液压站、本质安全型操作工作台、隔爆型润滑站和闸监控系统等组成,具体设备组成如图3所示。
  4 系统的功能介绍
  (1)根据防爆技术对煤矿井下电磁兼容性、散热系统、功率无感母排的要求,研制出一套适合煤矿特殊环境使用的MW级大功率三电平防爆变频器,可以实现井下生产现场对大功率防爆变频器的需要。
  (2)du/dt对电动机的绝缘性和功率器件的影响很大,在现场使用双三电平结构后,发现影响很小。从而成功的降低了电磁干扰,提高了电网的服务质量,切实实现了系统的节能。而且在功率系统结构化设计中,背靠背拓扑使用非常方便,提高了系统的可靠性。
  (3)在系统的控制方面,我们把电机和功率变换装置作为一个模块,利用矢量控制算法,在保证调速达到高性能的要求下,对网侧谐波、网侧功率因数等关键参数进行了调控,使系统在开关频率较低和进线电抗较小的情况下进行运行,实现电网无污染和真正的“绿色变频”。
  (4)系统的提升速度可以按照设计的提升速度图来自动实现,安全性能大大的得到了保障,减少了提升机的操作复杂性;若需要减速的时候,可以实现自动减速,此时提升机司机在控制提升机速度的时候不再用施闸手段,不会再有超速或者过卷的事故出现。
  (5)提升系统安全保护、位置控制、全过程控制等功能可以利用可编程控制器进行自动实现,满足了全自动功能提升机的要求。
  (6)各种模拟量输入、输出的信号可以采用可编程控制器进行直接完成,使用起来更加精确、快捷和方便,大大提高了系统的稳定性和灵敏度。
  (7)电动机的起动电流的控制可以通过电压和频率的连续可调来实现,不会再发生转矩冲击,减速器和钢丝绳等设备的机械故障发生率大大减少了。
  (8)上位机可以实时监控系统各个部位的运行情况,而且可以记录下各故障信息,例如记录下总的提升勾数,每勾的提升时间、各个时期的提升量。
  5 应用效果
  该系统从2013年2月开始使用,从试运行到现在一直使用状态比较稳定。在前期的构建过程中,系统各个组成部分的硬件和软件都进行了模块化和结构化构建,切均具有自身的诊断功能,故障诊断能力强,各参数性能均达到预期目标。该系统的成功实施,减小了员工的劳动强度,减小了维修、维护量,提高了生产效率;提高了系统的安全可靠性;实现了大功率交流防爆异步电机的高效率、低损耗、高功率因数和低谐波运行;开创了国内自主研发大功率交直交三电平防爆变频控制系统的先河,具有示范作用和很高的社会效益。
  参考文献
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