新风光大功率隔爆兼本安型高压变频器在煤矿刮板机上的应用
发布日期：2023-06-16 来源：新风光 浏览次数：8807
摘 要：本文介绍了新风光防爆高压变频器在兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿刮板机中的应用情况，对应用案例进行了介绍。结果表明， 摘 要：本文介绍了新风光防爆高压变频器在兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿刮板机中的应用情况，对应用案例进行了介绍。结果表明，采用单元级联主回路拓扑结构的防爆变电变频器装置，它相比传统井下变频器具有低频力矩大、输入输出谐波含量低、操作方便、长距离供电、主从机功率平衡等优点，在煤矿刮板机输送系统上采用防爆变电变频器具有较高的经济效益和社会效益。 1 引言 刮板输送机广泛应用于煤矿井下以及其他工作条件恶劣、运输负荷变化较大的场所。由于刮板输送机自身结构和工作环境与条件的原因,刮板输送机具有较大的启动动负荷,动负荷的产生主要原因如下: 自身结构原因。由于刮板机是采用链传送，链轮与链条啮合过程中，链条产生变化的速度，即多边形效应，因而会在链条中产生动应力，其值取决于链速、链节距、链轮半径、齿数等;如果存在制造、设计、安装误差等，通常为链节距误差、链轮直径、齿形误差等，这种动载荷会大大降低链条的寿命，加剧链轮的磨损。
工作环境原因:由于刮板机是和采煤机与液压支架配套使用的，采煤机在刮板机上行走，支架推动刮板中部槽移动，工作中会出现工作面煤片帮、刮板链被卡死、刮板机上煤量过大、满载启动等情况，这会产生很大的动负荷。
刮板机是以在牵引构件上（链条）固定的刮板沿着斜槽运动而推动构件移动的输送机械。刮板机在输送过程中，常因加料过多或大型煤块的阻塞而造成的突然过载以及启动时因输送线上堆存煤层过厚，形成较大的启动过载而损坏机构，因此可靠的过载保护很重要。刮板机需要很高的启动力矩，启动过载系数通常为2.5-3.0，因此满载启动难的问题不能很好的解决。刮板机的主要特点是频繁启动和过载启动，而且负载在空载、满载、超载甚至严重超载之间不断变化而且持续时间无规律。目前我国煤矿用刮板机输送系统广泛采用液力耦合器传动，大型刮板机上双速电机应用比较普遍。刮板机运行的品质和可靠性是影响工作面生产的主要因素，而其运行品质和可靠性又与其驱动装置的功能和特性密切相关。因此应对传动装置进行不断改进和完善。液力耦合器缺点传动效率低，不可控。耦合器中的涡轮和涡轮是靠滑差来实现扭矩传递，因此输入转速和输出转速不能同步，输入输出转速之比不能高于95%-97%，对大功率重型刮板机来说存在着较大的功率损失。启动功率平衡及停机不可控，完全由耦合器本身的结构和充液量来决定。双速电机缺点由于电机直接与主机相连，启动时尽管启动转速较低，但启动力矩大于主机的启动力矩，因此启动惯量及冲击很大。另外启动转矩较高，相对地降低降低了链条的安全系数，也随之降低了电动机和链条组件的使用寿命。
双机驱动时容易发生负荷分配不均的问题。两台相同型号电机由于材料性能和制造工艺差异，往往转速与转矩特性存在差异。传动减速器、链轮由于制造工艺也存在差别，链轮的多变形特性也使负载分配波动增加。双电机驱动机头机尾不同的电压降，也会造成转矩特性不一致。刮板机在生产过程中经常发生断链，烧毁电机的事故。为了抑制事故发生，过去人们更多地注重增加链子强度和电机功率，却没有从拖动特性上去进一步研究解决问题的办法。变频器具有速度可调、小电流高启动转矩、负荷分配功能、完善的保护，结合刮板机的负载特性防爆高压变频器在煤矿刮板机上的应用是必然趋势。
2 刮板机系统介绍 2.1 系统原理说明
图1 刮板机系统框图
兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿隶属于兖州煤业能源有限公司，矿井于2009年12月投产，设计生产能力300万吨，位于菏泽市郓城县城东南22kM,井田东西长度12-15.9kM,面积143.36kM2，开采深度-600--1200m. 现场应用的是新风光防爆高压变频，型号BPBJV1-1400/10/3.3，变频器输入电压10kV,输出电压3.3kV,功率1400kW,基于级联拓扑的，每相3个单元。刮板机采用机头机尾双电机驱动，为两台1200KW/3300V变频电机。考虑到抗过载能力及运行稳定性因素，变频功率放大1档使用。两台变频采用主从控制，通讯方式为光纤通讯。
2.2 防爆高压变频器系统结构
图2 防爆高压变频器系统结构
图2为防爆高压变频器系统结构，10kV电网电压输入连接到防爆高压变频器的移相变压器上，移相变压器将电压转换为独立的三相690V电压，给每个功率单元供电。移相变压器的作用：第一是将高压降低为低压，给每个功率单元供电；第二是给每个功率单元提供独立的电源，可以使单元进行级联，第三是移相变压器采用延边三角形结构，使单元的输入电压进行移相，减小了对电网的谐波无污染，为真正的完美无谐波。单元级联通过载波移相技术可以使输出电压谐波变小。完善的控制系统，主控系统采用高速DSP为控制核心，控制算法完全数字化，主控箱与功率单元采用高速光纤通讯。
图3 功率单元结构
功率单元内部原理图如图3所示，移相变压器次级绕组连接到功率单元的三相输入，三相输入经过三相桥整流二极管回路连接单元直流母线电容，直流母线电压经过IGBT组成的H桥，输出PWM波形。三相输入经过整流模块进行整流滤波后提供给直流母线能量支撑。单元级联如图2所示，由于每个单元的输出电压是相互独立的，单元的输出可以级联在一起，单元的控制信号是通过光纤与主控系统通讯，主控将PWM波信号通过下行通讯光纤传递给每个功率单元，每个功率单元通过相应的单元的保护动作通过上行通讯光纤上传给主控系统。主控产生的PWM信号为载波移相后的PWM信号，单元级联后输出的电压谐波很小。
高压防爆变频器使用“多电平”技术，功率单元串联的拓扑结构，此拓扑结构是目前电机控制业界最优的实现方法，变频器采用了移相变压器技术，起到降压、隔离及消谐波作用，消除电源谐波失真,对电网谐波污染小，输入谐波畸变小于3%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；功率单元串联叠加技术，每个功率单元接收主控机的正弦调制波，通过自身的载波移相后产生SPWM输出波形，各单元输出电压波形相互叠加形成正弦波，使变频器输出波形基本与工频电压正弦波形相近，无需输出滤波器，实现对电机无谐波干扰；由于dv/dt小，对电机及电缆绝缘无损伤，适用于普通电机和电缆，同时实现5000m电机长距离供电，赵楼煤矿防爆高压变频器放置在距离刮板机2000m横向巷道内，如图4所示。由于对电网侧实现几乎无谐波干扰，特别对电机几乎无谐波干扰，被誉为“绿色无谐波变频器”。
图4 赵楼煤矿使用场所
2.3 防爆高压变频器控制方式以及应用效果
图5 主从调节原理示意图
刮板机存在双机驱动时容易发生负荷分配不均的问题。两台相同型号电机由于材料性能和制造工艺差异，往往转速与转矩特性存在差异。传动减速器、链轮由于制造工艺也存在差别，链轮的多变形特性也使负载分配波动增加，从而影响主从机功率平衡。为了解决上述问题根据图4 主从机调节原理图新风光防爆高压变频器基于VF的转速下垂控制模式的刮板机控制是根据电机电流的变化来动态地实现各个电机之间负载平衡分配的控制方式。转速下垂模式的刮板机控制系统中，把电机电流作为反馈量，从而形成以电机电流为反馈量的闭环控制系统。当电机电流增加时，通过线性地减少变频器的转速给定来减小电机转速，电机转速的减小，通过刮板机机械耦合后，反应为电流的减小；当电机电流减少时，则线性地增加变频器的转速给定来增加电机转速，电机转速的增加，通过刮板机机械耦合后，反应为电流的增加，从而实现主从机功率平衡。通过赵楼煤矿现场数据统计，如图6 所示，主从机运行功率基本在600-1100kW之间，主从机不平衡率小于5%.
图6 主从机输出功率对比 2.4 高压防爆变频器在井下应用优势
图7 新风光变频器与其他厂家对比
1.占地面积小，维护简单：其他变频器厂家供电方式均是采用移动变压器+变频器方式供电，不仅占地面积大，而且现场走线连线施工量大；而我公司将移变和变频器整合一体机设计,输入电压10kV、6kV均可选择，大大节约供占地面积以及现场施工；防爆高压变频器采用模块化设计理念，按照将需要更新维护功能模块，方便产品后期现场维护性。
2.无谐波以及具有5000米长距离能力，移相变压器采用延边三角形结构，使单元的输入电压进行移相，减小了对电网的谐波无污染，为真正的完美无谐波。单元级联通过载波移相技术可以使输出电压谐波变小，变频器输出波形基本与工频电压正弦波形相近，无需输出滤波器，由于dv/dt小，对电机及电缆绝缘无损伤，适用于普通电机和电缆，同时实现5000m电机长距离供电
3.大转矩的低频启动：防爆高压变频器采用实现电流和速度双环精准控制，满足2.2倍启动力矩以及井下负载变化较大的场合;
4.功率平衡自适应，防爆高压变频器采用下垂控制模式，自动调整主从机负载平衡率，无需人为干预，负载不平衡率小于5%。
5.智慧矿山通信接口：满足智慧矿山通信接口，支持光纤，网线，无线等多种网络接入方式，赵楼煤矿采用网口通讯将数据传输到井上数据监控中心；远程监控故障诊断：可以通过PC或者手机APP进行相关数据监控，故障分析以及器件寿命预估。
3 结束语 矿山行业正在逐渐向大型化、智能化煤矿方向发展，国家能源局、国家矿山安全监察局下发《煤矿智能化建设指南》,针对智能采煤、智能采煤、智能运输等现场对高电压大功率变频调速系统迫切需求，由于井下大部分防爆变频器存在输入输出谐波含量大一直是煤矿井下防爆变频器应用痛点，新风光防爆高压变频器在赵楼煤矿使用得到很好的应用验证解决上述问题，煤矿智能化建设离不开防爆高压变频器参与，通过变频器节能减排从而助力碳达峰，碳中和，相信防爆高压变频器必然有更大的发展和应用。
发布日期：2023-06-16 来源：新风光 浏览次数：8807
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