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1、1现代矿井提升机电控系统发展趋势 中国矿业大学August，20122 2 2矿山大功率提升机电力传动 矿井提升机是矿山企业的大型机电设备之一,它在生产过 程中担负着矿物的提升、人员的上下、材料和设备的运 送等任务，起着非常关键的作用，同时也是矿山电力传 动最复杂的系统。u我国现有的矿井提升机按主提 升电机分类主要有：p直流电机拖动系统；p绕线电机拖动系统；p鼠笼电机拖动系统p低速同步电机拖动系统3 3 3矿井提升机电力传动特点 矿井提升机电控系统是矿山电力传动设备的典型代表功率大，从几百千万到5MW要求四象限运行，满足上升下降、加速减速的要求高可靠性运行速度高达15m/s提升十几吨到几十吨重
2、物，行程内必须准确加、减速和精确停车 (1cm/1km)当故障时，必须可靠停车，保障安全。4 4 4国内矿山电力传动装备现状第一代F-D驱动 模拟调速 继电器控制 机械式深度指示第二代SCR-D驱动 模拟调速 PLC控制 机械式深度示SCR-D驱动 数字控制 PLC控制 数字深度控制第三代TKD驱动 变阻调速 继电器控制 机械式深度指示TKD驱动 变阻调速 PLC控制 机械式度指示变频驱动 数字调速 PLC控制 数字深度控制直流交流国内主流国际先进占总数的9.7%电控效率97% 5 5 5电机特性对比低速直流电机交流同步电机效率85-87%96-97%功率3000Kw不受限电机造价10.75转
3、动惯量10.75维护量换向器、电刷无环境适应性差好6 6 6国内矿山电力传动装备现状MYVdiaVdiaVLVdVdVLtta = 150oa = 120oa = 90oa = 60oa = 30oa = 0o直流拖动系统 国际上正逐步淘汰直流方案， 欧美已经停止大功率直流电机生产7 7 7国内矿山电力传动装备现状 目前,我国矿山同步电机交流传动系统采用交交变频交 流提升运行方式，可在一定程度上满足提升系统的运行 要求，但其存在的突出问题却不容忽视。8 8 8缺点：1、输出电压谐波分 量大，导致变频器的 输出能力降低、转矩 脉动加大，损耗增加 ，噪声增大；2、在深控时功率因 数极低，对电网注入
4、 大量谐波，需要附加 滤波器进行无功补偿 谐波严重，治理困难，影响矿井电网质量，对矿山其它用电设 备造成不良影响。 该方案已经被西门子和ABB放弃。国内矿山电力传动装备现状可控硅系统 谐波29-40%功率因数0.02-0.7无功冲击大逆变失败可能9 9 9国际提升机电力传动的发展趋势大功率化双PWM交-直-交变频传动将成为高性能调速系统主流网络化、智能化故障诊断等技术成为重要的辅助手段101010旧系统直流 传动F-D直流：效率 98%，停 车精度1cmSCR交交变频： 效率99%，停车 精度1cm新系统双三电平变频调速：效 率99%，停车精度 1cm，低谐波、单位功 率因数：双馈转子变频同步
5、电机变频鼠笼电机变频交流 传动国际第一代国际第三代 （追赶）（超越）全数字控制技术网络化故障诊断技术 大功率高性能变频控制技术我国矿山电力传动的发展思路111111矿山电力传动关键技术 大功率双三电平功率主回路设计 通用型高性能全数字控制系统设计 高效三电平有源前端整流技术 大功率电机高性能控制调速理论121212应用高压IGBTs的前沿技术HV-IGBTIGBT 约 5A约 5A约 6000A/sIloadIDG 4A约 800 A约 1000A/s门电流t (s)I (A)IGCT131313功率半导体比较高压IGBTGTOHard-switching GTO (IGCT)门极触发功率低
6、门极触发简单, 功率元件少电流限制无任何附加电路的 短路保护变频器门极触发功率高 门极触发复杂, 功率元件多无电流限制需附加电路的短路保护变频器(需输出滤波 器)勿需缓冲电路需附加缓冲电路需附加di/dt 缓冲电路门极触发功率高 门极触发复杂, 功率元件多 无电流限制需附加电路的短路保护变频器(需输出滤波器)141414Back-to-Back双三电平同步电机调速系统示意图1Back-to-Back双三电平系统总体结构图四、交流提升机控制系统151515有源前端优点一览+-直流环节带有源前端 (AFE) 的 网侧整流器0 再生回馈 (4 象限运行) 可以补偿网侧供电电压波动 传动动态性能高 动
7、态无功功率补偿3相. 2.3 - 36 kV AC 50/60 Hz161616有源前端 - 无功功率补偿利用逆变器的无功功率补偿功能可使无功功率得到控制!中压 有功功率 M再生制动 电机无功功率容性无功功率 感性无功功率电网 3相. 2.3 - 36 kV AC / 50/60 Hz171717有源前端 - 定速传动的无功功率补偿高压 MM动力电网有功功率有功功率感性无功功率容性无功功率补偿可不加无功功率补偿对联接在电源线上优化过的负载非常 适合，因为其它三相负载的无功功率要求得到了补 偿。181818三电平PWM整流器电压定向控制策略191919三电平有源前端 由实验波形可知，无论在能量馈
8、入 还是馈出的情况下，三电平整流器 都能使直流母线电压保持稳定，网 侧电流正弦，且保证在电网接入点 为单位功率因数。202020（一）大功率双三电平功率主回路设计 大功率双三电平功率主回路设计MW级功率无感母线的设计理论与技术功率单元热控制技术功率变换单元电磁兼容设计212121四、交流提升机控制系统3交-直-交同步提升机变频控制 同步电机双三电平定子变频调速产品 GTM-100/250（1MW/2.5MW）、 GTM/500/1000（5MW/10MW） 由定子侧控制系统和转子侧控制系统 组成，其中，转子侧：励磁柜；定子 侧包括：高压柜、变压器、电抗器、 整流柜、逆变柜、调节柜、PLC柜、
9、上位机、操作台、低压配电柜等组成222222同步交流提升机三电平变频矢量控制策略232323四、交流提升机控制系统4交-直-交鼠笼式提升机变频控制 鼠笼电机双三电平定子变频调速产品 ：GYM-50/100/200（NPC三电平 1MW/2MW、GYM-50/100/200H（H 桥三电平0.5MW/1MW/2MW）； 由高压柜、变压器、电抗器、整流柜 、逆变柜、调节柜、PLC柜、上位机 、操作台、低压配电柜等组成。242424产品的结构模型252525四、交流提升机控制系统5交-直-交双馈式提升机变频控制 绕线电机双三电平转子变频调速产品 ：GZM-100/200（NPC三电平 1MW/2MW
10、）、GZM-100/200H（H 桥三电平1MW/2MW） 由定子侧控制系统和转子侧控制系统 组成，其中，定子侧包括：高压柜和 换向柜；转子侧由高压柜、变压器、 电抗器、整流柜、逆变柜、调节柜、 PLC柜、上位机、操作台、低压配电 柜等组成。262626 双馈电机全范围调速理论绕线电机转子串电阻TKD方式的最佳改造方案国内煤矿高性能调速领域80%采用TKD方式为能耗制动方式，系统效率低于60%实现了系统最大限度地降低了系统能耗、扩展了调速范围、提高了调速精度、消除了 机械冲击，实现了高压绕线电机高性能控制，从根本上解决了原有TKD系统存 在的问题。改造后节能超过20%，整体提效超过30%，应用
11、前景极其广阔。 双馈调速方式原理图 TKD调速系统 巨大的电阻室 四、交流提升机控制系统5交-直-交双馈式提升机变频控制272727矿用高性能电力传动装备系列：双馈式拖动兆瓦级双三电平变频器变频系统效率99%； 功率等级达到5MW； 双馈式调速系统可达到6kV-10kV； 定子变频调速电压380-3300V； 网侧功率因数可达到0.99以上； 网侧无需谐波治理； 实现了矿山大功率电力传动的跨越式发展。同步机拖动鼠笼机拖动282828上位机及 操作台Internet操作保护PLC行程PLC闸控PLC液压站卸载站 PLC装载站 PLC高压系统整流变压器提升滚筒安全回路卸载站安全回路装载站安全回路（
12、继电器组）全数字调节系统UPS电源箕斗变频提升系 统双馈电机定子双馈电机转子背靠背双三电平功率系统兆瓦级双三电平矿井提升机变频控制系统结构图292929三. 矿山电力传动网络化控制与故障诊断技术 以电力传动系统全数字控制为基础，以工业以太网为纽带，结合数据 融合和控制信息容错技术，实现对矿山提升机、皮带输送机、风机、 水泵主要电力传动装备的信息集成与控制系统。水泵传动风机传动提升机传动皮带传动-实现了矿山大型电力传动装备由监视到控制的跨越303030三. 矿山电力传动网络化控制与故障诊断技术 基于CSCW技术，提出了多Agent进行远程故障诊断的方法，建立了诊断知 识库、推理机，实现了Agen
13、t之间通信和协作诊断推理；实现了网络化矿井 提升机故障诊断系统和运行状态网络发布，提供故障预警和故障在线诊断 功能，大幅度提升了矿山电力传动系统的安全性。313131矿井交流提升机双绕组同步电机变频调速系统主回路323232实施效果 本项目从2011年3月初开始运行至今，该系统运转正常，并且与老系统 比较有以下优点：1、一次提升循环时间缩短， 由原来的108s缩短为96s， 每勾节省时间约12s；每年可 多提原煤78万吨。2、由于调速方式改为交直交变频调 速，设备运行平稳，噪声小，电机 温度比老系统使用时有所降低；333333实施效果3、新系统在电网接入点电流正弦，能量方便地实现了双向流动，系
14、统在整个 工况中都运行在单位功率因数下，完全消除了无功冲击；343434电压谐电压谐 波(%) 电电流谐谐波(%) 功率因数A相 0.99 3.15 0.9948B相 1.17 3.46C相 0.91 3.46实施效果4、新系统在满载、全速工况下，由国家电控配电设备质量监督检验中心进行 检测，下述为检测报告结果；353535实施效果5、运转安全可靠，保护齐全、 动作灵敏，故障判断准确，故障 率低等特点。 363636实施效果(性能对比)有功功率无功功率老系统新系统373737实施效果(性能对比)定子电流励磁电流老系统新系统383838以邯郸云驾岭矿为例：本项目从2007年9月初开始运行至今，该
15、系统运转正常，并且与老 系统比较有以下优点：1、一次提升循环时间缩短， 由原来的100s缩短为75s， 每勾节省时间约25s；2、由于调速方式改为转子变频调速 ，设备运行平稳，实现速度连续可 调，电机温度比老系统使用时有所 降低且对系统机械冲击小；四、交流提升机控制系统5交-直-交双馈式提升机变频控制3939393、新系统在电网接入点电流正弦，能量方便地实现了双向流动，系统在整个 工况中都运行在单位功率因数下，完全消除了无功冲击；四、交流提升机控制系统5交-直-交双馈式提升机变频控制4040404、系统具有明显的节电效果，系 统在运行72小时后，提煤2259勾 ，用电28012度（老系统提同样 勾数，用电34788度），与老系 统相比，节电6776度，节电 19.4%，考虑到原系引起的无功 冲击引起的变压器损耗和线路损 耗，实际系统节电超过20%；5、运转安全可靠，保护齐全、动 作灵敏，故障判断准确，故障率 低等特点。 四、交流提升机控制系统5交-直-交双馈式提升机变频控制414141发展趋势 低速直联提升机系统同步电机替代直流电机三电平变频器替代交交变频器较小功率提升机系统鼠笼变频电机四象限矢量变频调速424242谢谢各位专家！424242
