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1、枣庄矿业（集团）有限责任公司管理、技术创新效益奖申报表 成果名称：高压变频电控及工、变频电控互为备用切换技术在矿井提升机上的实践与应用申报单位： 枣矿集团高庄煤业有限公司 报送时间：2012年5月20日表1成果名称： 高压变频电控及工、变频电控互为备用切换技术在矿井提升机上的实践与应用单位全称：高庄煤业有限公司邮政编码：277605通讯地址：山东省济宁市微山县付村镇高庄煤业有限公司法人代表：王均才 电话：4068600联系部门及联系人： 机运工区范明栋电话：4068902传真电话：E-mail地址：单位主导产品及经营项目： 提升运输安全管理。成果主创人员情况姓名工作单位及部门职务职称张荣杰高煤
2、公司副矿长工程师闵涛高煤公司机电副总高级工程师李明航机运工区区长高级工程师范明栋机运工区主任师高级工程师宋 波机运工区技术员助理工程师马芳进机运工区车间主任助理工程师成果创造及应用时间从2010年10月10日起实施至 2011年 3月1 日结束已取得经济效益（包括应用以来历年累计数、年平均数及以上年度数）节能效果明显，系统四象限运行使得能量直接回馈电网,启动及换向也可节约大量电能，节能率可达30%40%。甩掉了能耗巨大的调速电阻、交流接触器及时间继电器，仅节能一项根据粗略估算不用几年时间即可收费安装设备所花费用。电量和提升钩数的数据分析，单钩可节约电1.14 Kw.h，全年可节电16.632万
3、度，节电价值约为0.7元16.632万度=11.6424万元，通过降低事故率减少配件投入费用5万员元。表2成 果 简 介（1000字以内）一、项目主要技术内容：本套高压变频电控系统利用当今变频器的成熟技术，输入6KV电源，经过隔离变压器变成580V输出到功率单元，每相六个功率单元串联，叠加成3480V相电压，从而得到6KV线电压，再经过脉宽调制，输出的正弦波电压送到电动机，实现变频运行。高压变频器是整个电控系统的一个核心部分，它具有与电控系统相适配的各种接口。它接受电控系统的操作命令，包括开停机、正反转、抱闸信号及速度命令，按照操作命令进行，同时它又将运行状态，包括工作频率、电机电流、电源电压
4、、电流及故障信息随时送给电控系统。变频器本身又将工作信号及工作状态自动记录以备查阅。变频器的所有输入、输出接口均进行了隔离，也避免对变频器引入干扰。 项目研究的技术关键：（1）电控采用采用交-直-交高压变频技术。（2）变频器采用功率单元串联叠波、矢量控制、四象限运行等技术。创新点：（1）电控部分可实现双回路电源互为备用，变频系统和原工频电控系统实现1分钟切换。（2）主回路功率单元模块化设计，维护简单。（3）采用能量回馈单元，节能效果显著，可满足电机四象限运行的要求。（4）具有完整的保护机制：变频器除具有短路、过压、欠压、过流、过热等保护外，还提供了外部故障信号输入、开机联锁保护、内置自动减速程
5、序等功能。表3单位财务部门对成果应用效益的审核意见：创造的价值（1）变速箱的齿轮因为改造后实现了软启，软停，大大减少了齿轮受硬机械力的损伤的可能性，每年可以减少维护费用不低于5万元。（2）改造后电阻箱的消耗基本没有，这一块的维护费用可以全部节约。大致一年可以节约1万元左右。（3）电量和提升钩数的数据分析，单钩可节约电1.14 Kw.h，全年可节电16.632万度，节电价值约为0.7元16.632万度=11.6424万元。合计创作价值：17.6424万元2012年5月20 日（章）申报单位意见：2012年 月 日（章）评审委员会意见：2012年 月 日（章）高压变频电控及工、变频电控互为备用切换
6、技术在矿井提升机上的实践与应用1 概述1.1 系统概述在煤矿生产中，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。随着世界发达国家矿山提升机控制水平的提高，我国矿山提升机控制已逐步淘汰耗能巨大、自动化水平极低的转子串电阻调速系统，而变频技术已成熟，经过多年在矿山提升绞车上的实际应用，其性能优越、节能显著已为公众所认知。但矿井提升是矿井生产的咽喉部位，为保证系统工作的可靠性，保留原转子串电阻调速操作系统，增加高压变频电控系统。改造后，以变频系统为主，转子串电阻调速系统作为备用，既充分发挥了变频系统
7、的优越性，又减少了工作上的后顾之忧；原系统的监控保护功能采用双PLC实现，使变频保护与其形成双重保护。在采用先进技术的同时，充分考虑系统工作的可靠性、完善性，充分考虑操作的简易性，尽可能简化系统，适合现场条件，这是我们设计的根本。矿井提升系统是一个复杂的控制系统，因此对提升机电气传动系统也有更高的要求。传统转子串电阻调速系统的显著缺点是：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。1.2 国外研究现状国外从70年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。目前，国外己达到相当成熟
8、的阶段，使整个拖动控制产生一次变革。其应用主要体现在以下几方面:（1）提升行程控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高，目前的控制误差小于2cm。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、滚筒及钢丝绳磨损等。将信号进行处理，可计算出容器准确的位置而施以控制和保护。在容器提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。如SIEMENS,ABB,AEG等公司己采用32位微机来构成行程给定器。（2）提升过程监视由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机
9、主要完成如下参数的监视：a、提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视；b、各主要设备运行状态监视；c、各传感器(如井筒同步校正开关、停车开关)信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。甚至与上位机联网，应用于矿井监测系统中。(3)安全回路安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态，此环节极为重要。为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法。安全回路是保护的最后环节之一，现在大多公司都采用两台PLC构成安全回路，使安全回路具有完善的故障监视功能，无论是提升机还是安全回路本身出现故障时都能准确地实施安
10、全制动。（4）全数字化系统调速控制全数字化系统具有硬件结构单一、参数稳定且调整方便、可方便地与上位机联网等优点。当然此类系统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识。2、转子串电阻调速电控系统的概述 高庄煤矿副井绞车原调速系统是从2002年3月10日投入使用,型号为：JKMD3.254（T）E-GZ,电机型号YR-630-12/1430，功率为:630KW，提升机电控型号为: JTDK-ZN-ZKT, 原系统采用转子回路串电阻调速（爬行段低频拖动），表现在调速方式落后，整个电控系统控制环节较多，发生故障的几率较大，维护量较大；并且，调速时大量的能量消耗在电阻上，电能浪费很大。另外控制系统复杂，
11、维护成本高、调速范围小、调速不平稳，无功损耗大等缺点。转子串电阻调速原理是在电动机转子电路中通过滑环串接电阻器，增加转子电阻使转子电流减小，电动机的转矩也随之下降，同时也产生反转矩，（反转矩是由机械作用在电机轴、电机风阻和摩擦所产生的 ）当反转矩等于转矩时，电动机电机便以某以转数稳定运行。当电机转矩大于反转矩是，电动机则加速。当转矩小于反转矩时电机则减速。采用转子回路串电阻调速的绕线式异步电机广泛应用于矿井提升机电控系统。但是该方法是通过调节转子回路附加电阻的有级调速,难以实现平滑地调速,而且调节性能差,调速过程中大量的转差功率通过转子回路电阻转化为热能消耗掉了。3、高压变频电控系统的研制高压
12、变频电控系统主要有变频器、操作台、换向柜、电源柜等部分组成。本电控系统在充分吸收国内外煤矿提升类设备电控技术新进展的基础上，采用功率单元串联叠波技术、矢量控制技术。3.1 高压变频电控系统设计原则1、安全第一:（变频电控与原工频电控实现1分钟切换）本绞车提升机电控在改造的同时，保留了原有高压电控系统，实现了双系统的相互备用，大大提高了电控的安全性。2、性能可靠：（1）优选高性能电气传动装置和电气元件。（2）能用软件实现的功能坚决不增加硬件，使系统结构更加简单、合理。（3）借助国内多年搞全数字调度绞车电控的成熟经验，形成整体电控方案。3、功能强大：（1）采用当前先进的技术。（2）完全符合矿井绞车
13、工艺的各种要求。（3）满足现场复杂情况而不需再考虑增加硬件设备。4、性价比高：（1）达到高性能的前提下投入资金最少。（2）充分考虑使用维护的便利性，以节省运行中的人力物力。（3）尽最大可能提高电控系统效率，以降低电耗，减少运行费用。（4）系统结构优化，使设备最少，在保留原设备不动的情况下，不需增加基建投资。3.2 高压变频电控系统技术路线（1）对提升绞车各种类电控系统进行仔细的研究，掌握各电气元件原理及技术参数，掌握第一手的现场资料。在此基础上进行设计方案筛选；（2） 充分查阅与提升电控设计有关的技术文献资料，了解国内外的研制工作进展情况，为此系统的设计提出一个明确的实现目标；（3）到相关煤矿
14、进行反复调研，了解不同矿井在提升设备电控系统方面的需求和意见，以完善设计方案；（4）选定设计方案开始初步开发，对所有的设计任务进行分工，按照各个设计人员的特点最优的安排任务，以提高系统质量为宗旨；按照系统模块，分模块实现各自功能，并根据设计过程不断优化初步的方案；（5）进行整体安装实验，在各个部分功能都实现的基础上，整体安装起来再进行测试，发现过程中的问题及时进行修改完善；接着进行整体运行调试，此过程中可适当征求现场工作人员的意见，以求更完美的完成安装工作，对现场安装中的问题再进行排除，并形成最终的成品。（6）整理完善各个阶段的技术文献资料，对电控系统的运行参数，调试记录，系统组成，运行记录，
15、设计原理及实现方法进行分类整理，形成系统的设计文件。3.3高压变频电控系统构成及工作原理高压变频电控系统主要有变频器、操作台、切换柜、电源柜等部分组成GBP-D06-06-630 型高压变频器 GBP-D06-06-630 型高压变频器具有启动力矩大、过载能力强、调速范围宽等优点。不仅具有优良的机械特性和调速性能，而且具有良好的节能效果，特别适合矿井提升机使用。采用四象限变频器驱动，符合国家的环保、节能政策，顺应了时代的潮流。 该产品由隔离变压器、功率单元两部分构成，具有活跃前端能量回馈特性，采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。隔离变压器为三相干式整流变压器，风冷，
16、有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边输入为变频器相应电压等级，Y接；副边绕组数量依变压器电压等级及结构而定，延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。功率单元通过光纤接收信号，采用正弦波脉宽调制（PWM）方式，该设备采用功率单元串联叠波技术、矢量控制技术、能量回馈技术等先进技术，将50Hz工频变成050Hz连续可调的变频电源，电动状态时从电网吸收能量，使电动机产生电动力；制动状态时工作于逆变状态，将能量返回电网，使电动机产生制动力，完成对提升机启动、调速、验绳、低于额定转速运行等控制过程。控制器由三块光纤板、一块信号板、一块主控板和一块电源板组成。光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，
17、每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制信号或工作模式。功率单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。信号板采集变频器的输出电压、电流信号和光电编码盘信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护，以及提供给主控板的数据采集。 该变频器本着高可靠性和高冗余度的设计原则，功率单元模块化并具有通用性，控制器到功率单元控制信号由光纤传送，提高了产品运行的可靠性，并能满足矿井提升机四象限运行要求。高压变频器输入侧的隔离变压器二次线圈经过移相，为功率单元提供电源，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，抑制了网侧谐波的产生
18、，保障周边设备免受谐波干扰；输出侧采用单元串联脉宽调制叠波输出，大大削弱了输出谐波含量，输出波形几近完美的正弦波。 输出电压波形 输出电流波形高压变频器是整个电控系统的一个核心部分，它具有与电控系统相适配的各种接口。它接受电控系统的操作命令，包括开停机、正反转、抱闸信号及速度命令，按照操作命令进行，同时它又将运行状态，包括工作频率、电机电流、电源电压、电流及故障信息随时送给电控系统。变频器本身又将工作信号及工作状态自动记录以备查阅。变频器的所有输入、输出接口均进行了隔离，也避免对变频器引入干扰。 图1 6KV高压变频器功率单元叠加原理 图2高压变频器功率单元 操作台操作台上设有各种工况显示设备
19、，以彩色液晶显示屏为主要显示设备，可以观察 PLC 运行情况，各外部接点动作状态， 各模拟量回路状态等，更加方便维修工作。同时还具有必要的开关量、模拟量的数字显示，可以独立提供必要的提升数据，其中包括：安全回路指示灯，油压数字显示液压表，减速、故障声光报警显示，高、低压表 , 电流表等。 图3新操作台 图4切换柜 图5 电源柜本套高压变频电控系统利用当今变频器的成熟技术，输入6KV电源，经过隔离变压器变成580V输出到功率单元，每相六个功率单元串联，叠加成3480V相电压，从而得到6KV线电压，再经过脉宽调制，输出的正弦波电压送到电动机，实现变频运行。高压变频器是整个电控系统的一个核心部分，它
20、具有与电控系统相适配的各种接口。它接受电控系统的操作命令，包括开停机、正反转、抱闸信号及速度命令，按照操作命令进行，同时它又将运行状态，包括工作频率、电机电流、电源电压、电流及故障信息随时送给电控系统。变频器本身又将工作信号及工作状态自动记录以备查阅。变频器的所有输入、输出接口均进行了隔离，也避免对变频器引入干扰。 4 高压变频电控系统优点与经济效益分析4.1电控部分可实现双回路电源和工频、变频电控系统的互为备用。电控部分可实现双回路电源互为备用，变频系统和工频电控系统实现1分钟切换。如电控系统出现故障，可及时切换工频、变频电控系统进行转换。灵活的工频/变频转换功能,将原操作系统成为备用,随时
21、可以切换,使提升机的电控系统实现了双套互为备用，大大提高了提升机运行地可靠性，为矿山的安全稳定生产打下坚实的基础；4.2高压变频电控系统的优点 提升机是矿山主要耗能设备之一，耗电量约占矿井总耗电量的20%40%。转子串电阻调速系统，配套功率大，经济效能比低，提升稳定性差、耗能量大。随着矿井的延伸，产量的不断提高, 对提升机进行节能改造，提高运行的可靠性及节能性势在必行。利用当今先进的变频技术改造传统的提升机电控系统，集无级调速、转矩提升先进技术于一体，具有不可比拟的优势:1)调速平滑，变有级为无级调速，实现了低频、低压的软启动、软停车，避免了“冲击”、“失控”现象的发生;2)节能效果明显，系统
22、四象限运行使得能量直接回馈电网,且不受回馈能量大小的限制,则保证了绞车运行时可频繁的停车,启动及换向节约大量电能，可提高系统运行效率,节能率可达30%40%。摔掉了能耗巨大的调速电阻、交流接触器及时间继电器，提高了系统的可靠性;3)采用转矩补偿功能，使重车启动正常;4)启动及加速过程冲击电流小，最大启动电流不超过额定电流的1.3倍，大大减小对电网的冲击;5)内置失速、过流、漏电、过压、欠压、断相、短路、上行与下运闭锁及自动限速智能模块，与提升系统的保护形成双重保护，大大提高了系统的可靠性;6)考虑到提升机司机工作的习惯性和操作的简单,变频系统延用与原操作系统相同的主令控制器操作;7)变频控制系
23、统内置先进的电气功率单元，不但实现了提升机调速、制动的平稳性和零耗能，更使提升机的原机械制动系统成为备用和停车定位所用，明显减少机械制动系统的磨损和维护工作量，延长其使用寿命；8)具有超强的过载能力;9)节约大量的带阻电控设备的维护检修费用。4.2 经济效益分析4.2.1 系统节能节省的费用节能效果明显，系统四象限运行使得能量直接回馈电网,启动及换向也可节约大量电能，节能率可达30%40%。甩掉了能耗巨大的调速电阻、交流接触器及时间继电器，仅节能一项根据粗略估算不用几年时间即可收费安装设备所花费用。电量和提升钩数的数据分析，单钩可节约电1.14 Kw.h，全年可节电16.632万度，节电价值约
24、为0.7元16.632万度=11.6424万元4.2.2机械，电气方面节约的维护费用（1）变速箱的齿轮因为改造后实现了软启，软停，大大减少了齿轮受硬机械力的损伤的可能性，每年可以减少维护费用不低于5万元。（2）改造后电阻箱的消耗基本没有，这一块的维护费用可以全部节约。大致一年可以节约1万元左右。（3）电气柜内的控制串阻的接触器可以延长使用寿命，一年可以节约将近1万元的电气元器件费用。（4）在提升系统改造成了变频系统控制以后，维护时间大大缩短，间接产生的经济效益大大提高了。5、系统总结本系统的设计是针对当前提升机调速电控系统采用交流绕线式电机串电阻调速当中存在的提升机调速性能差、故障率高、能耗大等问题展开的。借助于现已成熟的变频调速技术，应用于矿山提升机电控系统中，能够改善矿山提升机电控系统性能。11