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1、大功率双机拖动型矿井提升机变频调速技术研究报告淮北矿业股份北京合康亿盛变频科技股份二一年七月 :/ 目 录第1章 引言3研究的背景和意义31.2 矿井提升机的工作特点及其对电力传动系统的要求4研究的内容和方法5第2章 双异步电动机驱动技术分析62.1 应用背景62.2 异步电机与同步电机驱动需求对比分析82.3 双异步电机驱动方案对比分析92.4 本章小结9第3章 矢量控制四象限变频器“一拖二”可行性分析93.1 双电机同步运行条件93.2 矢量控制原理以及驱动特性122.2.4 及的物理概念及检测133.3 本章小结14第4章 矢量控制“一拖二”系统设计144.1 系统组成及硬件144.2
2、DSP控制系统的设计164.3 变频系统原理及特点214.4 本章小结30第5章 现场调试情况以及性能分析305.1 变频器的实际参数设置305.2 桃园矿提升机系统参数简单回顾315.3 实际计算单台电机能力33第6章 经济效益分析35第7章 结论37第1章 引言1.1研究的背景和意义在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平。因此，要求矿井提升机拖动系统具有安全可靠，运行高效且定位准确的能力。它的电气传动及控制装置一直是一个重要研究领域。无论哪种提升机，对电气传动的要求都很高
3、，因为电气传动系统性能的优劣，可靠性的高低，都直接关系到矿井生产的效率和矿井生产的正常进行。我国矿井提升机匹配交流异步电机拖动容量在1000KW以上的，多采用双电机拖动形式。以淮北矿业股份有限责任公司桃园煤矿主井提升机为例，该提升机，减速机型号为ZHD2R140K；采用两台异步绕线型电动机拖动，电机型号为YR800-16/1730，800KW。原有提升电控系统采用交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统。系统主要缺点表现在：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济。 随着电气传动技术,尤其是高压变频调速
4、技术的发展,高压电机采用变频调速技术实现无级调速,从而满足生产工艺对电机调速控制的要求,能大幅度节约能源,降低了生产成本。研制提升机双机拖动型高压大功率四象限变频调速装置，使大功率矿井提升机在整个运行过程中实现无极变频调速，扩大交流提升机应用范围，提高电控装备水平。本项目研究采用一套变频器拖动两套同型异步电机，实现了现场设备少，安全系数高，系统也达到了单变频单电机的高可靠性。对于大功率矿井提升机，由于可靠性、机械负载平衡性、速度同步性等考虑，需要两台同功率的电动机驱动同一个机械负载，电机与滚筒之间采用机械硬连接方式。驱动两台电机的变频器可以由一台变频器来驱动，也可以分别由两台变频器来驱动。这种
5、场合往往需要对电机的转速精度、转矩动态响应、负荷自动分配等有比较严格的要求，尤其在矿山的提升系统应用上根本无法使用v/f控制的变频器（在重物下放以及迅速减速时存在大量的势能回馈的过程）。北京合康公司生产的单机型矢量控制四象限运行变频器已在矿山提升系统现场有成熟的应用。对于此种双电机的工况，要如何采用一台矢量控制变频器拖动两台电动机，并实现高精度、大转矩调速是本项目研究的重点问题。 目前，大功率双机拖动型矿井提升机高压变频装置尚未在煤矿主井提升机上使用。为此，淮北矿业股份公司与北京合康亿盛公司进行合作，开发研制了HIVERT-YVF型大功率双机拖动型矿井提升机四象限高压变频调速装置，采用有速度传
6、感器矢量控制的高压变频器以“一拖二”的方式来实现高精度、大转矩调速控制，在桃园矿主井提升机上进行了成功应用。 矿井提升机的工作特点是在一定的距离内，以较高的速度往复运行，完成上升与下降的任务。为确保提升机能够达到高效、安全、可靠地连续工作，其必须具备良好的机械性能，良好的电气控制设备和完善的保护装置。鉴于在矿井提升机的工作特点，因此要求矿井提升机的电力拖动系统具有安全可靠、运行高效且定位准确的能力，以满足矿井提升工艺过程的需要。 图1-1是矿井提升机拖动系统的结构图。 Un为电压期望值，即通常意义上的速度给定，T为驱动轮，1为提升钢丝绳，2为提升容器，3为平衡尾绳，M为主电动机。图1 矿井提升
7、机拖动系统的结构图 矿井提升的整个过程可以分为5个阶段：加速阶段、等速阶段、减速阶段、爬行阶段、停车抱闸阶段。加速阶段是矿井提升机从静止状态起动加速到最高速度；等速阶段是提升机的主要运行阶段，提升机以最高速度运行；减速阶段是提升机从最高速度减小到爬行速度；爬行阶段是箕斗定位和准备安全停车考虑。根据矿井生产安全规程的要求，要限制提升过程的加速度以及爬行速度。根据动力学方程式： （1-1）式中：电动机转矩，Nm 静负载力矩，Nm拖动系统惯量，N 可得到如图2（a）速度给定下，不同大小的力图，如图2（b）、（c）、（d）所示。其中图2（b）为静负载力矩比较大的情况；图(c)为静负载力矩比较小的情况；
8、图（d）为下放重物的情况。显然，随着提升物料的重量不同，要求电动机的拖动力不同，且在一个提升循环中，在不同阶段电动机的拖动力的极性也在变化，实现四象限运行。 图2 给定速度下不同的力图为满足提升机速度图的要求，提升机电气传动系统必须保证电动机在1:25的调速范围内有0.5%以上的特性硬度。按一般多绳提升机的工艺要求，其最高运行速度，爬行速度，则调速范围为。1.3研究的内容和方法 本项目主要研究内容为采用一台有速度反馈矢量控制变频器同时拖动两台异步电机，实现两台电机输出同样的转矩电流、励磁电流、转矩、功率分配均匀，整个调速范围内平滑无脉动，低速运行平稳，电流波形正弦度高。课题组分别比较了异步电机
9、与同步电机的驱动特性差别、普通v/f变频器与矢量控制变频器驱动特性差别，并利用了矢量控制理论算法的分析并结合电机的数学模型来最终确定此种矢量控制“一拖二”的方式的可行性。并通过对现场的电机、减速机、滚筒、变频器、提升电控等系统参数的引用，结合实际运行情况，来具体推导下这种变频器的实际运行状况（输出电流在启动、加速、减速时的大小），可以更清晰的理解此种矢量控制“一拖二”的性能。第2章 双异步电动机驱动技术分析2.1 应用背景 运行现场简介淮北矿业集团桃园煤矿，座落在安徽省宿州市南郊，南傍蚌埠市，北邻淮北市、徐州市。淮北矿业（集团）有限责任公司桃园煤矿，是国家“八五”期间重点建设的大型矿井，设计年
10、产量90万吨，矿井服务年限96年。矿井资源丰富，可采储量1.2亿吨，煤层赋存稳定，地质构造简单，煤质优良。自1995年11月15日矿井竣工投产以来，桃园人以改革为动力，以市场为导向，以经济效益为中心，以创建“双文明”矿井为目标，大力培育和弘扬“艰苦创业、从严治矿、团结奋进、勇争一流”的企业精神，坚持以人为本，深化内部改革，强化经营管理，大力发展机械化，不断提高矿井文明程度，在投产的当年，即全面实现了“当年投产，当年达产、当年扭亏为盈、当年建成部级质量标准化矿井”的奋斗目标。投产几年来，煤炭产量始终保持在100万吨水平，经济效益连年攀升。先后荣获原煤炭部“质量标准化矿井”、安徽省“百家最佳经济效
11、益企业”等荣誉称号。桃园煤矿主井提升系统采用落后的转子串电阻的调速方式，调速精度低、稳定性低、耗能大。现场工况：主井，标准提升量：12T，最大提升量：14T。井深：606米。最大提升速度：/秒。单勾的提升时间：110s。运行方式：主电机两台，双机拖动。提升类型：单水平提升。电机类型：异步绕线式，额定电压：6 kV，额定电流：110A，额定转速：370 rpm，额定功率：800 kW2，电机极数：16极，减速机速比：7.35，滚筒直径：3.25m。功率因数：0.75 调速方式：转子串电阻。根据现场情况及矿方所需达到的要求，现场增加一套变频器，保留原有的电控设备，重编主控台PLC程序，使之满足新、
12、老两套系统互为备用的双切换运行模式。为满足新原系统备用的原则，增加以下设备：一套6kV的双路供电的高压开关柜，为变频器提供电源；一套1800kW/6kV的高压变频器，采用一拖二的连接方式，并在电机后轴端和减速机出轴端同时安装两个高精度编码器；同时增加两台手动工频、变频切换柜，便于新、原系统的切换。正常运行情况为变频调速系统运行，双电机转子侧短接，我们可以理解为鼠笼式电机使用。这时候变频系统运行时，变频器驱动的双电机，可以直接理解为双绕组电机，这样基本系统原理可以近视理解为单电机运行。当变频系统出现故障时，整个变频提升系统处于停机状态，保证系统的安全停车，此时只需要拨动操作台上的切换系统开关，将
13、变频系统的电源切断，原系统的高低压开关柜及电阻短接柜打开。重新上电，就能恢复到原系统运行。 变频系统性能需求本项目中的提升机系统，采用了轴端硬连接双异步电机拖动，以此来满足启动所需要的大力矩。为了减小起动电流，采用绕线式异步电动机转子串电阻起动。这种方式是目前应用最为广泛的，虽然可以基本满足传动需要，但仍存在不少问题。1、转子串电阻调速属于转差能耗制动型调速方式，电能损耗大。2）绕线式异步电动机的机械特性软，造成系统的运行稳定性较差，特别是起动时由于起动转矩不平衡造成机械冲击严重。3）停机时电机无法低速停稳，只能在高速阶段靠机械抱闸完成，一方面闸皮磨损严重，另一方面难以实现精确定位。4）由于两
14、侧电动机的输出转矩平衡性较差，特别是起、停阶段刚性轴承受的机械冲击较大，故对刚性轴的强度要求较高，也增加了刚性轴的维护工作量。 对于这类问题，在单电机驱动的提升系统中已经大量采用四象限矢量控制型高压变频器来解决。但是对于轴端硬连接双电动机方式目前国内基本处于空白状态。可以考虑的解决方案有以下2种：1） 双机联动方式：采用2台变频器分别驱动2台高压电机，这项技术的关键在于2台变频器之间的同步控制。2） 一拖二方式：即本项目中一台变频器拖动二台电机。双机联动方式一般有转速随动和转矩随动两种形式。一般为了达到功率平衡，大多数会采用转矩随动控制方式作双机主从控制。若采用双机联动主从控制，在提升过程中，
15、操作台将调速信号送至主机，而主机与从机控制器之间具备高速485通讯，主机可以将转速以及转矩电流信号及时通讯给从机，从机完全听命于主机控制，此时主机、从机的编码器反馈的速度信号同时起作用并构成速度闭环模式。从机设置成带编码器反馈的直接转矩控制模式，这样从机输出的转矩就紧紧跟随主动装置的转矩，主、从机的同步运行以及动态和稳态负载的就能得到自动平衡分配。由于电动机本身的特性差异及运行时间长久之后特性变化的差距，所以采用的电机、变频等为同一型号，但是得到的调速性能还是不能完全一样。目前虽然有应用的案例，但还是应用于低压范围及硬性联接上。其实对于这种轴端硬连接的双电机系统来说，电机的转速已经被强制同步了，因此只要保证2台电机的出力平衡即可使系统稳定运行。显然如果两台电机分别由两套变频器供电，电机性能的差异将导致出力的不平衡，而且这种差异其实是无法瞬时调节的，这种方式也只是通过调整电流大小的使变频器在合理的工
