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1、1河北省煤炭工业科学技术进步奖推荐河北省煤炭工业科学技术进步奖推荐书书（20162016 年度）年度）一、项目基本情况一、项目基本情况项目名称主井提升绞车同步电机交直交变频技术应用项目英文名称主要完成人丁其全、缪庆芳、姚所贵、陈士新、刘学雷、常记文、王利东、王振波主要完成单位 （盖章）山西金地煤焦有限公司推荐单位或专家 （盖章）冀中能源邯郸矿业集 团有限公司项目名称可否公布是密级非密定 密 日 期保密期限(年)定密审查机构主 题 词同步电机、交直交变频器、技术应用1计算机与自动控制代码 220学科分类 名 称2代码所属国民经济行业 本项目涉及主要计划课题（含基金）列表任务下达单位项目名称编号
2、起止年限经费（万元）是否验收 （鉴定）主井提升绞车同步电机交直交变频技 术应用始于 2012 年 3 月 完成于 2012 年 11 月1348已验收项目起止时间起始2012.03完成2012.11项目应用时间至今2016.04河北省科学技术厅成果与市场处制2二、项目简介（限二、项目简介（限 800800 字）字）所属科学技所属科学技术领术领域：域：信息传输、计算机服务和软件业。主要技主要技术术内容：内容：交直交变频传动系统功率因数接近于 1，高次谐波分量很小，谐波污染小，无需专门设置谐波吸收和无功补偿装置，且采用的变频传动方案是目前为止做的最大功率的交直交传动方案的同步电机，首次采用对变频器
3、新型水冷方案，水冷却可保证变频器的冷却效果。技术经济指标：技术经济指标：超大功率、高定子电压、双绕组同步机，电机功率 4200kW，定子电压2300V，定子电流 2*548.7A，功率因数 1.0。三电平变频器控制超大功率双绕组电机通过高性能矢量控制算法，将功率变换装置和电机作为整体考虑，在实现高性能调速的前提下，可对网侧功率因数、网侧谐波、电机定子侧功率因数等系统关键指标进行调控，最大程度上满足系统运行的需要，以较低的开关频率、较小的进线电抗实现了能量双向流动、单位功率因数以及正弦的网侧电流，使变频器对电网的污染降至最低。在波形质量上，三电平变频器输出相电压为九阶梯波，对比常规的两电平变频器
4、电压和电流畸变率大大减小；和多重独立直流电源构成的级联型拓扑的高压变频器相比，虽然实现的阶梯波层数较少，但功率器件大幅减少，结构简单；三电平变频器的 du/dt 和波形畸变率影响也非常小，对于电机而言电流波形基本无畸变，系统运行更加安全、可靠。采用新型的水冷却功率单元恒定压力和流速的冷却介质源源不断带着从变流器内带出的热量流经空气散热器与空气进行热交换，散发到空气中，使冷却介质温度下降，更小的噪声，更高的冷却效率。推广推广应应用及效益情况用及效益情况 ： ：通过采用交直交变频传动系统节省电能，调速范围宽，恒转矩输出，功率因数高、具有 100%能量回馈、对电网无污染。与直流电控及交交电控相比，能
5、节省大量电能，维修方便，经济效益显著。立井提升是制约煤矿生产的最重要环节，随着提升机电机功率的不断增加。交直交变频传动方案由于其在维护简单、系统耐用，所以其将会在大型立井提升中将会不断推广，具有示范作用和很高的社会、经济效益。推推动动科技科技进进步的作用：步的作用：本项目的成功实施，开创了国内自主研发大功率双绕组同步电机交直交三电平变频矢量控制系统的先河，打破了由国外垄断的局面。同时，可以推广应用到其他大型设备的电力传动系统中。 3三、项目详细内容三、项目详细内容一、立一、立项项背景背景主井装备一台 4.5m 绞车，一对 25T 四绳提煤箕斗，提升高度 699.336m，担负全矿井原煤提升任务
6、，配备双绕组同步电动机 4200KW。目前提升系统的提升电控一般为直流、交交变频和交直交变频三种方案，直流传动方式，具有调速控制简单，调速性能好，价格较低，主要应用于中小功率的提升机；交交变频传动系统国内已引进多套，其功率柜已实现国产化。但交交变频传动系统功率因数较低，在启动、运行中将会产生较大的高次谐波，对矿井电网造成污染，电动机的频繁启动也将会对电网造成较大的无功冲击，需要对此进行治理；交直交变频传动系统功率因数接近于 1，高次谐波分量很小，谐波污染小，无需专门设置谐波吸收和无功补偿装置。上述三种传动系统都能满足本矿井提升的工艺要求，电气性能、保护功能基本相当，从投资、管理和性价比等方面综
7、合考虑，赤峪煤矿主井提升系统采用交直交变频传动方案，配套新型水冷却系统，保证变频器散热效果。而且徐州中国传动公司已经有 3 例同步电机变频成功案例，客户反映系统运行稳定可靠。二、二、详细详细科学技科学技术术内容内容交直交变频传动系统功率因数接近于 1，高次谐波分量很小，谐波污染小，无需专门设置谐波吸收和无功补偿装置，且赤峪煤矿采用的变频传动方案是目前为止做的最大功率的交直交传动方案的同步电机，首次采用对变频器新型水冷方案，水冷却可保证变频器的冷却效果。（一）大功率双绕组同步电机全数字矢量控制矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是对定子电流的控制。由于在定子侧的各物理量（电压、电
8、流、电动势、磁动势）都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算均不方便。因此，需借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值直流给定量。按这些给定量实时控制,就能达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的，是虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相
9、定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。在矢量变换的控制方法中，需用到静止和旋转的坐标系，以及矢量在各坐标系之间的变换，交流同步电机的矢量控制，需要把电机的 ABC 三相定子静止坐标系的电流 Ia、Ib、Ic、变换成 和 两相静止坐标系(Clarke 变换)，也叫三相二相变换，再从两相静止坐标系变换成同步旋转磁场定向坐标系（Park 变换），等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Iq、Id(Id 相当于直流电动机的励磁电流)；Iq 相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标逆变换（Park 逆变4换）（Clarke 逆变换），实
10、现对同步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交解耦控制。（二）变频器新型水冷却系统恒定压力和流速的冷却介质源源不断带着从变流器内带出的热量流经空气散热器与空气进行热交换，散发到空气中，使冷却介质温度下降。冷却后的介质流入变流器装置，带出热量流经主循环泵，进入空气散热器换热。根据热负荷的变化，PLC 根据供水温度的高低来控制进入散热器的冷却介质流量，从而达到系统精确控制温度的要求。当环境温度较低或变流器低负荷运行或零负荷时，为防止变流器结露，电加热器对冷却介质温度进
11、行强制补偿。循环管路并联的缓冲罐，主要作用是保持系统恒压并能吸收系统中液体的体积变化，从而保证整个系统的正常运行。系统中各机电单元及传感器由 PLC 自动监控运行，并通过操作面板的友好界面实现人机的即时交流。系统运行参数和报警信息条即时传输至主控制器，并可通过主控制器远程操控冷却系统。目前，针对同步电机三电平交直交变频技术，其特点：通过中点箝位实现开关器件串联，比两电平线路输出电压提高一倍；输出电平为正、零和负三个，改善了输出波形，更趋近于正弦波；输入为可控整流，网侧电流谐波小，功率因数高（约为 1）；电压型变频，中间直流储能元件是电容器，效率高；主电路结构简单，器件数少；采用三电平的结构可方
12、便实现四象限运行。变频调速提升机全数字电控系统特点：硬件结构简单，故障点少，可靠性高；可控精度高，工作稳定性好；故障自诊断能力强，降低使用维护成本；具有较高的可构置性，扩展方便，运行灵活性高；可与其它系统实现网络化通讯，实现现代化管理；性能价格比高；水冷主回路结构紧凑。三、三、试验试验研究研究结结果与当前国内外同果与当前国内外同类类技技术术比比较较国内大功率交流同步电机传动一般为几百千瓦至数千千瓦。大容量、低转速、高过载、响应快、四象限运行等传动领域主要用于矿井提升机和钢铁厂的主轧机，对变频器的控制要求特别严格这是普通异步电机及其变频器所不能解决的，在此类系统中应用的大多是大功率同步电机，我国
13、目前在高压大功率同步电机控制系统中采用的技术主要有交交和有交直交两种方式，交交变频器由于其控制原理方式的制约，造成其功能和应用范围受限，交交变频器的结构方式把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路，广泛用于大功率交流电动机调速传动系统。改变切换频率，就可改变输出频率；改变交流电路的导通角，就可以改变交流输出电压幅值；输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。输出波形畸变和输出上限频率的关系，很难确定明确界限。例当采用 6 脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的 1/3-1
14、/2。电网频率为 50Hz 时，交交变频电路的输出上限频率约为 20Hz。交直交变频调速方式是近年和未来发展的主要方向。5四、第三方四、第三方评评价及价及应应用情况用情况投入运行后，系统运行稳定，保护完善，故障诊断能力强，各参数性能均达到预期目标。对保证安全生产，提高经济和社会效益，具有十分重要的意义，具有很好的推广前景。6四、主要技术创新点四、主要技术创新点序序号号主主要要技技术术创创新新点点证明证明 材料材料所属二级所属二级 学科学科所属三级所属三级 学科学科1成功解决提升机机电控制系统存在的问题专利：一种三段式 IGBT 温度报警及控制保护电路2成功填补国内在大功率交流水冷同步提升机变频
15、控制技术的空白专利：三电平变频器水冷散热结构347五、项目应用情况项目应用情况 1经济效益：采用此产品价格为 1348 万元人民币，西门子投标价格为 1800 万元人民币，ABB 投标价格为 2100 万元人民币，减少直接投资达到 500 万以上。项目总投资额回收期（年）年 份新增利润新增税收创收外汇 （万美元）节支总额2013 2014 2015 累 计各栏目的计算依据：各栏目的计算依据： 完成单位财务公章：完成单位财务公章：2 社会效益大功率变频器在矿山具有极大的应用需求，双绕组同步提升机交直交变频调速控制系统项目将应用于煤矿以矿井提升机、皮带输送机、风机等为主的大功率矿山传动系统，为国内
16、变频驱动技术的进步开辟新的途径，促进我国大中型矿山企业重大装备的技术升级。证明材料在山西金地煤焦有限公司赤峪煤矿主井提升机上进行应用3主要应用单位情况应用单位名称应用单位名称项目名称项目名称起止时间起止时间应用单位联系人应用单位联系人/ /电话电话 证明材料证明材料山西金地煤焦有限公司 主井提升机电控系统2012.11 至今姚所贵 15835850867现场应用8六、本项目曾获科技奖励情况六、本项目曾获科技奖励情况获获 奖奖 项项 目目 名名 称称获奖时间获奖时间奖项名称奖项名称奖励等级奖励等级授奖部门（单位）授奖部门（单位）证明材料证明材料本表所填科技奖励是指：1. 各设区市政府设立的科技奖励2. 经省科技厅批准的社会力量设立的科技奖励3. 国际组织和外国政府授予的科技奖励4. 对于国家科学技术奖励条例及省、部级科学技术奖励办法规定不能设立的部门奖励，不 填入此栏9七、主要候选人情况表姓 名丁其全性 别男排 名1出生年月1969.04出生地河北省枣强县民 族汉身份证号1304041969042924
