汇川技术HD92四象限高压变频器在矿井提升机的应用

一、背景介绍
矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒（或摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动。
 

    目前大部分大中型煤矿的矿井提升机都采用绕线式电机转子串电阻的方法进行分段有级调速（如右图一所示）。其基本原理是：当绕线式异步电动机转子串入附加电阻后，电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行，串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法的优点是设备简单，控制方便；但其缺点也非常明显，主要有以下几点：
1、 调速时，大量的转差电能消耗在回路电阻上，造成大量能源浪费；
2、 调速性能差，控制系统复杂，故障率高；
3、 启动过程中对电网的冲击大，同时也会产生较大的机械冲击，造成设备使用寿命降低；
4、 安全可靠性差，且维护工作量大、维护成本高。

二、现场概况
    莒山煤矿隶属于山西兰花煤炭实业集团有限公司，是一家集煤炭产、选、洗、运、深加工于一体的现代化国有股份制企业，年实际生产能力达90万吨。
 

 图二：莒山煤矿正门
 

    此次改造现场为莒山煤矿的主提升机系统，提升机采用双滚筒缠绕式结构，提升机型号为2JK-2.5，提升最大运行速度3.8m/s。电机功率250KW，，定子电压6000V，额定转速590转/分。
    三、HD92四象限高压变频方案
    一般煤矿原有的调速方式为转子串电阻调速，由于串电阻调速的种种缺点，客户最终决定对原有系统进行变频改造，经过反复斟酌，客户最终选定了汇川HD92四象限高压变频器作为此次改造的变频器。经过对现场实际情况了解和客户的多次沟通，最终确认方案如下：在保留原有串电阻调试的方式下，新加装一套电控系统，将原有电控系统保留，确保在变频器故障时，能够在很短的时间内切换为原有系统运行，保证正常生产。原理图大致如下：

图四：转子串电阻和变频调速双系统示意图

    根据电机功率大小，此现场配备的变频器型号为HD92-J100/400-RN，变频器额定电流40A。变频器采用远程控制方式，通过提升系统操作台发送控制指令到变频器。变频器启动频率0.5Hz，下限频率2HZ，操作台发送4 ~20mA的模拟量信号，通过正反转指令控制变频器在-50Hz~+50Hz运行，下图为矿井提升机操作台和提升机运行速度图：

图五：矿井提升机操作台和实际运行速度曲线

    四：汇川技术HD92四象限高压变频器改造优势
    1、无启动冲击电流：采用世界领先的矢量控制方式，无需进行转矩提升，在启动过程中无冲击电流，启动电流小于电机的额定电流；

图六：提升机启动时电机定子侧电流波形图

    2、无编码器开环矢量控制：提升机现场使用的电机多为绕线式电机，在电机轴上加装编码器非常麻烦，如果安装位置稍有不对，编码器会经常损坏，影响整个系统的运行。汇川技术针对此种情况，提别提出了无编码器开环矢量控制方式，无需安装编码器，控制效果几乎与安装编码器的效果一致，得到了客户的好评；
 

图七：绕线式电机转子侧短接示意图

    3、低频大扭矩：汇川技术HD92四象限高压变频器采用世界领先的矢量控制技术，具有优越的低频特性，闭环矢量200%额定转矩/0Hz；开环矢量180%额定转矩/0.5Hz。
优秀的低频特性，确保了提升机在低速运行时，依然能够有足够的转矩进行提升，不会出现溜钩、怠速报闸等现象；
    4、长寿命设计：汇川技术HD92四象限高压变频器全部采用薄膜电容设计，使用寿命为普通电解电容的10倍以上，确保了变频器的使用寿命；
    5、无谐波：汇川技术HD92四象限高压变频器采用AFE可控整流方式，可自动调节功率因数，使得功率因数接近于1，并且在每个功率单元输入侧均配有PFC专用能量回馈电抗器，对回馈到电网的电流进行滤波，确保对网侧没有任何谐波污染；
 

图八：HD92四象限高压变频器高压进线端电流波形图
  

    6、节能：原有的转子串电阻调速方式，在启动和停止过程中，有大量的转差功率消耗在电阻上，造成电能的极大浪费，采用变频器调速后，可将这部分能量全部省掉。通过现场抄表比较，相比之前的串电阻调速方式，变频改造后可节能电能大约15%；
五、现场运行图片

图9  提升机现场变频器整机图片
 

图10 变频器正转运行

    六、结束语
     汇川技术的HD92四象限高压变频器，采用薄膜电容等长寿命设计方案，具备磁链闭环矢量控制、AFE回馈等国际领先技术，为矿用提升机领域提供了更优的选择。现场应用实践证明，HD92四象限高压变频器完全满足矿用提升机的应用要求！
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