一种在工业电网和发电机组下工作的矿井提升机变频控制系统

2014-06-25周雨松梁伟艳张军峰

电气传动自动化 2014年6期

周雨松，梁伟艳，张军峰

（1.西安利雅得电气股份有限公司，陕西西安710075；2.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020）

1 引言

矿井提升机是矿井的咽喉设备，担负着井下井上之间设备及人员的输送任务，尤其是交通罐提升机，更是矿山中的一级负荷，根据《煤矿安全规程》及《供配电设计规范》，必须配置相互独立的双路或3 路电源。对交通罐提升机，一般配置3 路供电电源，其中2 路来自矿山的工业电网，第3 路来自发电机组。针对这样的要求，本文分析设计了一种在工业电网和发电机组切换下工作的矿井提升机变频控制系统。

2 系统设计思路

2.1 工业电网

矿山的工业电网一般短路容量比较大，电网波动相对较小，同时允许能量回馈电网。

2.2 发电机组电网

发电机组电网一般短路容量小，电网波动大，且禁止能量向发电机组回馈。

2.3 矿井提升机控制系统

矿井提升机是一种位势性负载，因此对提升机控制系统而言，系统必须能够四象限运行［1］。

2.4 设计思路

基于对矿井提升机控制系统基本要求以及工业电网与发电机组电网特点的分析，本文设计了一种在工业电网和发电机组切换下工作的矿井提升机变频控制系统，该系统必须具备四象限运行能力，同时还不能向发电机组回馈能量，这样我们有如下两种解决思路：

（1）一种思路是采用单象限变频器，配置制动单元和制动电阻，其传动系统图如图1所示。

当提升机控制系统在减速或重载下放时，电动机为发电状态，能量通过制动单元，消耗在制动电阻上。这种方法无论是在工业电网下还是在发电机组电网下，系统的配置和工作状态完全相同，没有任何能量回馈电网。它的缺点是能量不能回馈，均消耗在制动电阻上，系统能耗大。但这是一种比较常见成熟的方案，很多设备厂家都可以提供这种变频器的应用方案，下文中不再赘述。

图1 单象限变频器配制动单元及制动电阻的传动系统图

（2）另一种思路是采用四象限变频器，同时配置制动单元和制动电阻，其系统图和图1很接近，只是将二极管整流部分改成了IGBT 整流，这样能量可以回馈电网。

当系统工作在工业电网下时，切除制动单元和制动电阻，变频器四象限工作，在提升机系统减速或重载下放时，电动机为发电状态，能量直接回馈电网，实现回馈制动；当系统工作在发电机组电网时，变频器切换为单象限工作，投入制动单元和制动电阻，在提升机系统减速或重载下放时，电动机为发电状态，能量通过制动单元，消耗在制动电阻上。这种方法结合了工业电网下四象限能量回馈和发电机组下单象限变频能量消耗的两种特点。由于矿井提升机绝大部分时间均工作在工业电网下，仅在极少数应急情况下才工作在发电机组电网下，因此能极大的减少能耗保证系统性能，同时又能兼顾紧急情况下系统安全可靠运行，是一种很好的解决思路。

3 具体方案

图2 提升机变频控制系统方案配置图

根据以上第二种思路，本文设计了一种在工业电网和发电机组切换下工作的矿井提升机变频控制系统，其具体方案配置如图2所示。由上图可知，本提升机变频控制系统配置了电源柜APG、程控柜APC、馈电柜HV5、变压器TS、司机台CD／CL／CR、液压站LS、信号系统SG、井筒开关WE、监控计算机PL、主电机MT 以及四象限变频器（包括进线ALC、滤波ALM、有源整流AIM、逆变MMI）和制动控制器BKM、制动电阻BKR 等。

3.1 提升机部分参数

型号：JKMD－2.25×2（I）

电机功率：200kW 电机电压：380VAC

电机转速：743r／min 电机频率：50 Hz

3.2 变频器选型

四象限变频器采用西门子公司的SINAMICS S120 系列变频器。SINAMICS S120 变频器是一款高性能单电机或多电机传动装置。它是一种集V／F、矢量控制及伺服控制于一体的驱动控制系统，它不仅能控制普通的三相异步电动机，还能控制同步电机、扭矩电机及直线电机。其结构具有配置灵活、系统模块化、排布紧凑、柜体美观等特点，几乎可适应于任何交流应用场合，特别适合于需要协调控制由多个电机组成的传动系统，比如造纸机、轧机、提升机、试验台等［2］。

S120 变频器主要包括进线ALC、有源滤波ALM、有源整流AIM、逆变MMI 和控制器等［3］。

（1）进线ALC 是进线侧开关和保护器件，包括进线接触器、隔离开关、熔断器等。

（2）有源滤波ALM 必须与有源整流装置同时使用，有源滤波装置包含带有基本RI 抑制的电网净化滤波器、充电电路、进线电源电压检测电路和监控传感器。

（3）有源整流AIM 采用IGBT 桥，有源整流模块总是与相关的有源滤波装置一起运行，提供高性能的整流／回馈控制，它可以整流供电并能将能量反馈给电网。它会产生一个可控制的直流电压，这个直流电压会在电源电压允许的波动范围内保持一个稳定值。无论电压怎样变化，有源整流在电源侧产生实际电流效果接近正弦波，并能抑制有害的谐波。有源整流运行所需要的组件都集成在有源整流单元中。

（4）逆变AIM 实际上就是一个带IGBTs 的自换流逆变器。它将直流电压转换成频率电压可变的静止电源，从而拖动电机。

（5）控制单元：控制有源整流和逆变单元，每一种控制单元都是基于目标导向的SINAMICS 标准固件，包括所有的通用的控制模式并能够调整以满足最高的性能要求。它具备矢量控制、伺服控制、V／f 控制等功能。本设计中变频器的具体选型见表1。

表1 变频器具体配置型号表

图3 制动单元及制动电阻的连线图

3.3 制动单元及制动电阻选型

制动模块和配套的外部制动电阻的作用是在故障情况下（例如：紧急停车等），使传动装置可控停车，或者在整流装置不能回馈能量的情况下，控制直流回路电压，进行短时间的制动运行。制动模块包括电力电子器件和相关的控制回路。运行期间，直流回路的能量通过外部制动电阻转化为热能耗散掉。用DIP 开关来设定制动模块的激活阀值，其连接［4］如图3所示，本设计中具体选型见表2。