矿井提升机传动系统方案的选择.doc

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 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，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-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 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，%； 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任公司亭南煤矿主井提升机电控系统 亭南煤矿初期规模300万吨，达产期为50