低压直联同步拖动方案在提升机系统的应用

田志勇

(晋煤集团 沁秀龙湾能源有限公司，山西　晋城　048007)



·技术经验·

低压直联同步拖动方案在提升机系统的应用

田志勇

(晋煤集团 沁秀龙湾能源有限公司，山西晋城048007)

摘要目前，在大型提升机系统中广泛采用基于中压(3 150 V)的悬臂直联同步拖动方案。但对于中小型提升机，由于成本、技术等因素的限制，仍然以异步电机+减速箱驱动方式为主。本文以晋煤集团龙湾煤矿副井提升机为例，介绍了中小功率提升机驱动方式的现状，提出了低压直联同步驱动的解决方案，通过技术、经济的比较，决定采用低压(690 V)悬臂直联同步拖动方案。这种新的拖动方式将成为今后中小型提升机拖动方式的发展方向。

关键词中小功率；提升机；悬臂直联；低压驱动；低压同步电机

山西晋煤集团龙湾煤矿是一对设计生产能力4.00 Mt/a的新建矿井，副井采用立井单水平开拓，设计两套落地式多绳摩擦提升系统，分别是宽罐平衡锤提升系统和双窄罐提升系统。其中宽罐平衡锤提升系统(电机功率2 500 kW，摩擦轮直径5 m)驱动方式采用了目前广泛应用的基于中压的悬臂直联同步拖动方案，但对于双窄罐提升系统(电机功率1 500 kW，摩擦轮直径3.5 m)，综合考虑成本、技术等因素，驱动方式选用了在矿用提升机领域的一种最新技术：低压同步直联驱动技术，为新建项目中小功率提升系统提供了选型设计依据，同时，也为现有提升机系统进行节能降耗改造提供了最佳改造方案。

1中小功率提升机驱动方式现状

中小功率提升机，通常是指电机驱动功率在1 800 kW以下的矿用提升机。

目前，中小功率提升机驱动方式涉及到两个技术背景：一是矿用提升机机械驱动方式的方案选择；二是直流拖动和交流驱动技术的比较和选择。

1.1矿用提升机机械驱动方式比较

矿用提升机系统的核心运动部分是提升机卷筒，根据工艺要求，目前绝大部分提升机卷筒的转动速度为40～60转/min.

对于驱动单元电机来说，根据电机转速的不同，以及电机与提升机卷筒的联接方式的不同，矿用提升机机械驱动方式分为两大类：一类是高速电机+减速机驱动(图1)，另一类则是低速电机直接驱动(图2).

图1　高速电机+减速机驱动示意图

图2　低速电机直接连接示意图

对于高速电机+减速机的连接方式，由于减速机的存在，这种方案客观上存在传递效率有损失、系统控制动态响应相对差、减速机使用寿命有限、维护成本高等缺点。

对于低速电机直接驱动方式，由于从系统中剔除了减速机，从根本上消除了由于减速机带来的一系列问题，因此，正在越来越多地被应用到低速驱动场合中。

1.2直流拖动和交流驱动技术的比较

直流拖动技术在电力电子技术的发展历史中凭借其优异的调速性能曾经长期主导着拖动领域，成为工矿应用中首选的技术方案。

但是，直流系统由于拓扑原理的固有问题，也存在着一些难以解决的问题，例如:功率因数低、谐波大等。随着国家、企业对电网质量、能耗效率等方面的要求越来越高，以及替换技术的成熟，直流拖动技术已经逐渐被取代。

与直流拖动技术相对比，目前交直交变频驱动技术已经得到了广泛的应用。根据使用场合的不同，有中压交直交变频驱动技术(3 150 V)以及低压交直交变频驱动技术(690 V).在矿用提升机应用中，中压交直交变频驱动技术已经在大功率提升机系统中成为主要解决方案。

1.3中小功率提升机驱动方式的现状

对于功率大于1 800 kW的提升机来说，中压交直交直联驱动技术已经成为广为接受的一种技术方案。而对于小于1 800 kW的应用来说，由于技术方案、性价比等原因，目前在选型过程中仍存在多种选择：

1) 直流高速+减速机驱动方案。

这一方案于20世纪直流拖动系统开始应用，可以说是在中小功率提升机应用中最传统的一种解决方案，也是最常见的一种设计方法。

但这一方案不论是从机械角度还是电气角度，都存在一些缺陷，例如系统力矩传递损失大、维护量大、功率因数低、谐波大等。

2) 直流直联低速驱动方案。

低速直联驱动方案在机械驱动环节上有优势，实现了机械系统的优化，同时，大功率低速直流电机无论在技术，还是性价比上也都能被市场所接受。

但是，在电气驱动环节，仍然存在功率因数低、谐波大等问题，需要在电网侧增加额外的补偿和滤波装置。在目前市场中，仍占有一定的份额。

3) 交流高速+减速机驱动方案。

在电气驱动环节上，随着交流变频驱动技术的日益成熟，交流变频调速的性能早已完全满足低速大扭矩输出应用的要求。同时由于交流变频技术在功率因数、谐波等方面都远远优于直流系统，因此，越来越多的矿用提升机系统选用交流变频技术作为电气驱动的方案。

但是，与传统的直流拖动系统相比，交流变频驱动技术的成本更高，除了变频器本身的成本较高，与之相匹配的交流同步电机价格也高。对于大功率提升应用来说，交流同步电机的性价比尚能被广泛接受，但是对于 1 800 kW以下的中小功率提升应用来说，交流同步电机的性价比就是一个非常大的劣势。

在这种情况下，通过权衡利弊，在电气环节上选择用交流变频驱动方案，而在机械环节上选择传统的减速机驱动方案。

综上，目前市场上对于1 800 kW以下功率范围的矿用提升机系统，存在着在电气驱动和机械驱动方式之间进行权衡的问题，很多设计院和最终业主会依据自己的投资预算，在这二者之间进行权衡选择，但最终，难以做到二者兼得。

2低压直联同步驱动的解决方案

从2013年开始，一些国内外知名的电气系统供应商针对中小功率低速大扭矩应用领域存在的问题，提出了一些解决方案。

2.1低压交流同步电机

交流同步电机的造价是制约中小功率矿用提升机采用直联驱动的一个重要原因。随着制造成本的逐渐降低以及技术能力的提高，国内电机厂已经开始有能力设计和生产用于提升机悬臂直联方案的特殊低压同步电动机。

对于用于提升机的低压同步电动机，电枢电压690 V，额定转速为40～60转/min，满足频繁正反转，负载—转速非周期性变化的工作制度要求，具备2.2倍过载能力。

2.2适用于低压同步电机的交直交变频器

低压交流变频器技术已经非常成熟，但由于所驱动的是同步电机，需要励磁。因此，与标准低压交流变频器相比，用于低压同步电机的交直交变频器除了在软件中的电机控制算法有区别外，在硬件上需要增加同步电机励磁控制单元。采用低压同步电机的系统拓扑图见图3.

2.3全载半速应急功能

从图3可以看出，这种系统在逆变单元和电机之间有1个连接切换柜。当2个整流单元，逆变单元或主变压器中的任意1个不工作的情况下，把电机的2个原来分别由2个逆变单元所带的定子绕组改为以串联的方式连接起来，由可以正常工作的逆变单元驱动，进行全载半速运行。

这种应急工作方式与传统直流拖动方案中的 12脉串联所具备的全载半速功能是类似的。从这个角度来说，低压交流直联同步驱动方案不仅可以从根本上解决直流系统对电网污染高的问题，同时也可以继承直流拖动方案方便实现全载半速应急运行的功能。

3方案性价比

在考察一项新技术时，除了考虑技术因素先进性以外，也必须要考虑这项技术的性价比。对这种技术从生命周期成本的角度进行评估。

生命周期成本包括从采购开始的一次投资成本，二次投资成本、能耗成本、维护运营成本等多个部分。

3.1一次投资成本比较

对于提升机驱动系统来说，主要影响上述技术方

案一次投资成本的因素包括电机、变频器、减速机及附属设备。由于电机已经国产化，价格低于相同功率直流电机的价格；而低压交流变频器的价格略高于直流拖动装置；又由于低压同步直联方案不需要使用减速机及附属设备，因此，从电机、变频器、减速机等方面综合来看，采用低压同步直联方案的一次投资成本与传统直流驱动方案持平，甚至会低一些。

3.2二次投资成本比较

二次投资成本主要是指用于治理电网污染所需要追加设备的成本。由于企业电力自动化对电网质量的客观要求，对于直流拖动系统，需要在上一级配电站配置功率补偿及谐波治理装置。而对于采用低压交直交变频驱动的系统，由于其功率因数几乎为1，谐波仅限于国家规范规定范围以外的高次谐波，因此，可以忽略用于治理该系统所需要追加的成本。

3.3能耗成本

与直流系统相比，交直交系统没有无功损耗，而且直联驱动方式不存在减速机力矩传递损失，因此，采用低压直联同步直联方案的系统，在电耗方面比直流系统有着显著的节能效果。

3.4维护成本

直联驱动方案完全剔除了减速机及附属装置，系统的日常维护工作量以及维护成本非常低。

综上可以看出，不论是从一次投资成本、二次投资成本，还是能耗成本、维护成本来看，低压直联同步方案都具有非常显著的优势。从性价比的角度来看，该方案也是非常值得采纳的方案。

4结论

通过上述技术、经济性的比较，低压直联同步方案均具有很多优势。因此，在晋煤集团龙湾煤矿2#副井提升机项目上，最终决定采用该方案。这套提升机主机规格为JKMD 3.5×4，电机功率 1 500 kW，采用国产 690 V同步电机。

该项目是国内煤矿提升机领域第一套采用此方案的应用项目，也将成为今后中小型提升系统新驱动方式的开拓项目。

参考文献

[1]袁亮.煤矿总工程师技术手册[M].北京：煤炭工业出版社，2010：1213-1216.

[2]李小竹.电机与拖动[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009：144-155.

[3]逯贵章，高儒.矿山机械[M].太原：山西科学技术出版社，1992：262-269.

Application of Low Voltage Direct Link Synchronous Driving Scheme in Mine Hoist System

TIAN Zhiyong

AbstractAt present in the large-scale mine hoist system an overhang direct link synchronous driving scheme based on medium voltage (3 150 V) has been widely used. But for small and medium-sized mine hoist, due to some cost, technical and other reasons, they still use asynchronous motor and gearbox driving as main solution. This paper takes the auxiliary shaft hoist in Longwan coal mine of Jincheng coal group as illustration, introduces the current situation of the driving mode of small and medium power hoist. Put forward the solution of low voltage (690 V) overhang direct link synchronous driving. Through the comparison of technology and economy, the solution is adopted. This new driving mode will become the future development direction of the small and medium-sized hoist drive mode.

Key wordsSmall and medium-sized power; Mine hoist; Overhang direct link; Low voltage drive; Low voltage synchronous motor

中图分类号：TD534+.7

文献标识码：A

文章编号：1672-0652(2016)02-0020-03

作者简介：田志勇(1973—)，男，山西晋城人，2005年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事矿山机电技术及应用的研究(E-mail)ywqstzy@163.com

收稿日期：2016-01-12