矿井提升机传动系统方案的选择

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 矿井提升机传动系统方案的选择 摘 要矿井提升机传动系统分为 转子切电阻、直流、交-交、交-直-交变 频调速等四种方案，本文分析了每个传 动方案的优缺点，划分适用的功率范围， 根据提升能力的强弱选择合适的传动系 统方案。在提升设备配置相同的条件下， 结合提升设备吨煤电耗公式和工程实践， 确定选择交-交还是交- 直- 交变频调速方 案，以便正确的选择交流调速方案。 中国论文网 /1/view-12790511.htm 关键词 提升机；传动系统；变 频调速 中图分类号：TD 文献标识码： A 文章编号： 1009-914X（2015）14- 0234-02 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 引言 矿井提升机也称矿井卷扬机，是 煤炭、有色金属矿山等生产过程中的大 型关键设备，也是井上和井下的唯一输 送纽带。提升机主要用于升降人员和矿 石、物料、煤炭等，其性能和安全可靠 性直接影响着煤炭、矿石的生产及作业 人员的生命安全，在矿山开采中具有极 其重要的地位。矿井提升机属周期性运 行的设备，且其负载为位能型负载，对 电控系统要求比较高。 纵观电气传动系统的发展历程， 它经历了从恒速到调速，从低性能到高 性能，从模拟直流系统到全数字直流系 统，从全数字直流系统到变频调速系统 等发展过程。随着技术的发展，大容量 的交流变频调速系统已经得到广泛的应 用，技术成熟，安全可靠。目前，我国 新建大型矿井提升机传动大部分配置交 流传动，因为同等容量的直流电机造价 比交流电机昂贵，体积大。矿井提升机 运行性能的差异性主要表现在传动方案 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 的不同，因此，传动方案的选择成为矿 井提升机安全生产、经济运行的关键。 1 矿井提升机传动方案 1.1 绕线转子异步电动机转子回 路串电阻调速传动方案 60 年代以前，部分小容量提升机 传动系统都用绕线转子异步电动机转子 回路串电阻调速系统，是通过接触器切 换电阻来实现调速，是有级调速、调速 范围不大、调速性能差、能耗大、运行 效率低、运行状态的切换死区大，这是 由于以前国内直流调速不成熟，晶闸管 技术也不成熟，所以选这种方案较多。 目前，这种方案在矿井提升机领域已经 淘汰换代，所以这种方案不予考虑。 1.2 直流提升机传动方案 矿井直流提升机传动方案有旋转 变流机组 G-M 系统，静止式可控整流 器 V-M 系统和直流 PWM 调速系统三 种形式。 （1）旋转变流机组 G-M 系统 旋转变流机组 G-M 系统是交流 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 电动机拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电， 通过调节发电机 G 的励磁电流来改变其 输出电压，从而调节电动机 M 的转速， 通过改变励磁电流的方向实现对转速方 向的调节。为了给 G 和 M 提供励磁电 源，通常需要专设一台直流励磁发电机。 对系统的调速性能要求不高时， 励磁电流可直接由励磁电源供电；要求 较高的闭环调速系统一般都要通过放大 装置进行控制，如交磁放大机、晶体管 电子放大器等。所以该方案用电设备多、 维护复杂、体积大、效率低、能耗大等 缺点，20 世纪 60 年代以前曾广泛的使 用着，60 年代以后开始采用各种静止式 的变压或变流装置来替代旋转变流机组， 目前已被淘汰。 （2）静止式可控整流器 V-M 系 统 采用闸流管或汞弧整流器的离子 拖动系统是最早的应用静止式变流装置 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 的直流调速系统。它虽然克服了旋转变 流机组的许多缺点，大大缩短了响应时 间，但闸流管容量小，汞弧整流器造价 高，维护麻烦万一水银泄露，将会污染 环境，危害人身健康。 60 年代后，随着晶闸管技术的不 断成熟，已生产出成套的晶闸管整流装 置，使变流技术产生了根本性的变革。 晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 的控制电压来移动触发脉冲的相位，改 变平均整流电压，从而实现平滑调速。 V-M 系统的优点： 1）经济可靠，功率放大倍数在 104 以上； 2）响应速度是毫秒级，提高了 系统的动态性能； 3）无极调速，调速范围大，速 度平滑； 4）能实现有源逆变，可在四象 限运行。 V-M 系统的缺点： 1）单向导电性，四象限运行时 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 变流设备增加一倍； 2）对过电压、过电流和过高的 du/dt 与 di/dt 都十分敏感，容易损坏器 件； 3）低速运行时功率因数很低， 并产生较大的谐波。 目前这种方案的调速系统也已经 淘汰了，自从全控型电力电子器件问世 以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高 频开关控制方式，形成了脉宽调制变换 器直流电动机调速系统，简称直流脉 宽调速系统，或直流 PWM 调速系统。 （3）直流 PWM 调速系统 与 V-M 系统相比，PWM 调速系 统在很多方面有较大的优越性： 1）主电路线路简单，需要的功 率器件少； 2）开关频率高，电流容易连续， 谐波少，电机损耗及发热都较小； 3）低速性能好，稳速精度高， 调速范围宽，可达 1：10000 左右； 4）若与快速响应的电动机配合， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰 能力强； 5）功率开关器件导通损耗小， 开关损耗也不大，效率较高； 由于以上的优点，直流 PWM 调 速系统的应用日益广泛，特别是在中、 小容量的提升机电控系统中，完全取代 了 V-M 系统。从 90 年代到现在，全数 字直流 PWM 调速系统一直广泛应用。 随着矿井提升机传动设备容量的 不断增大，由于大容量直流电机体积大， 很难制造，并且造价高。随着变频技术 的不断成熟，变频调速也得到广泛应用， 可靠性高，节能，可以实现能量回馈等 诸多优点。所以大多大容量的提升机都 选交流电动机，因此直流调速系统日趋 减少，变频调速日趋增加。 1.3 交-交变频调速传动方案 随着电力半导体技术和交流同步 电动机传动装置的开发和生产，矿井提 升机传动装置又向交流传动方式发展。 目前，我国已在普遍引进由大容量交- -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 交变频器供电的交流同步电动机传动系 统，全数字化、自动化的提升机成为当 今矿井提升技术的发展方向。 交-交变频调速传动系统是一种适用于 2000kW 以上、 1500V 以上大功率、直 联低速运行场合的传动方案。交-交变 频的优点： 1）在大功率低频范围有很大的 优势； 2）交-交变频没有直流环节，变 频效率高； 3）主回路简单，不含直流电路 及滤波部分，与电源之间无功功率处理 以及有功功率回馈容易。 交-交变频的缺点： 1）功率因数低，高次谐波多， 输出频率低，频谱复杂，因此须配置滤 波和无功补偿设备； 2）最高输出频率是电网频率的 1/3-1/2； 3）所用的元器件数量很大，总 体设备相当庞大 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 该系统是基于 IGBT 的变频技术， 交-交变频传动方案适用于新建矿井大 功率同步电动机传动系统。主井提升设 备因其提升能力强、每天提升作业时间 为 16h，直流传动方案相对交流传动方 案虽在初期投资小，但结合主井提升能 力计算的规定，在矿井生产的运营期， 直流传动方案能耗大、用电量大、运营 成本高；而交-交变频调速传动方案维 护及运营成本低，很大程度上减少了企 业成本投入，带来经济利润盈余。 1.4 交-直- 交变频调速传动方案 交-直-交变频调速传动系统是一 种适用于 2000kW 以上、 2.0-6.9kV 大功 率、直联低速运行场合的传动方案。 交-直-交变频器比较常见，由整 流器、滤波系统和逆变器三部分组成。 整流器为二极管三相桥式不控整流器或 大功率晶体管组成的全控整流器，逆变 器是大功率晶体管组成的三相桥式电路， 其作用正好与整流器相反，它是将恒定 的直流电交换为可调电压，可调频率的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 交流电。中间滤波环节是用电容器或电 抗器对整流后的电压或电流进行滤波。 交-直-交变频器按中间直流滤波环节的 不同，又可以分为电压型和电流型两种， 由于控制方法和硬件设计等各种因素， 电压型逆变器应用比较广泛。 交-直-交变频调速系统的优点： 1）过载能力强、体积小、转动 惯量小、维护方便； 2）高次谐波小、功率因数高； 3）低速运转时，加在电机两端 的电压较低，输入功率大大减小，节能 效果明显； 交-直-交变频调速系统的缺点： 1）会给电网产生很大的电流谐 波，集中使用时会对电网的波形畸变产 生极大地危害，变压器效率降低； 目前，SIEMENS 和 ABB 等国外 著名电器公司已各自推出了基于集成门 极换流晶闸管 IGCT 的中高压大功率三 电平交-直- 交变频调速系统，如 ABB 公 司的 ACS6000 系列，交-交变频调速系 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 统，如 SIEMENS 公司的 SINAMICSSL150。 2 选择交流传动方案的因素 2.1 理论分析 近年来我国矿井的开采力度远大 于过往，大功率大容量的矿井提升机需 求越来越多，大功率的交-交变频系统 和大功率的交-直- 交变频系统应用也越 来越多，选择合适的交流传动方案对确 保提升系统经济运行至关重要。电耗和 投资是提升设备的重要经济指标，这里 主要阐述电耗对设备的影响。 根据提升机的速度图、各阶段力 图和功率图，可以推算出提升设备一次 提升电耗 W 为： （1） 式中为提升机辅助装置、交流装 置和电动机内部能耗系数； 为矿井阻力系数； 为一次提升量，kg； 为提升高度，m； 为电动机效率，%； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 为提升机效率，%。 根据（1）式，可得提升设备的 吨煤电耗为： （2） 由（2）式得，在提升高度、电 机效率、矿井阻力系数一定时，提升辅 助装置、变流装置和电动机内部能耗系 数以及提升机效率成了影响吨煤电耗的 决定因素，因此对同一提升机而言，选 择交-交还是交- 直-交变频调速系统主要 由装置内部能耗系数和提升机效率两因 素决定。 2.2 实践经验 上述从理论角度分析选择交流传 动系统的两个因素，在工程实践中，一 般变频器的选择是根据电机的额定电流， 额定电压以及启动电流来选择，而在这 里，我们讨论的是当电机容量一定时该 选择哪种变频器技术比较好。从上面描 述的情况来看，对于大型以及特大型煤 矿来说，因交-交变频主要在大功率低 速场合使用，因此在大型煤矿考虑到财 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 力及环境污染和将来的科技发展，产品 更新换代，培养相关的技术人才来说， 比较推荐交-交变频；而对于中小型及 部分特大型煤矿比较适合选用交-直-交 变频，因为交-直- 交技术目前发展比较 完善，社会上也已经积累了很多维护经 验，这样使用起来比较顺手。 3 实际应用 （1）交-交变频调速系统应用案 例： 例如：陕西彬长矿业集团有限公 司文家坡煤矿主井提升机电控系统 文家坡煤矿初期规模 500 万吨， 达产期为 1000 万吨。 本系统为双机拖动，两台 3300kW，1450V ，1374.9A ，0- 45r/min，0-7.5Hz 。此系统选用 SIEMENS 公司的 SINAMICSSL150 交- 交变频器。 （2）交-直- 交变频调速系统应用 案例： 例如：陕西长武亭南煤业有限责 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 任公司亭南煤矿主井提升机电控系统 亭南煤矿初期规