變頻調(diào)速技術(shù)

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1、變 頻 調(diào) 速 技 術(shù) 及 應(yīng) 用 一 、 電 氣 傳 動 系 統(tǒng) 概 述定 義 以 交 流 （ 直 流 ） 電 動 機 為 動 力 拖 動 各 種 生 產(chǎn) 機 械 的 系 統(tǒng) 我 們 稱 之 為 交 流 （ 直 流 ） 電 氣 傳 動 系 統(tǒng) ， 也 稱 交 流 （ 直 流 ） 電 氣 拖 動 系 統(tǒng)構(gòu) 成 中 間 傳 動 機 構(gòu)交 流 電 源輸 入 終 端 機 械 交 流電 機直 流調(diào) 速裝 置 直 流 輸 出 減 速 箱 等 提 升 機 、 風(fēng) 機 等直 流電 機交 流調(diào) 速裝 置 交 流 輸 出 執(zhí) 行 機 構(gòu)變 頻器 交 （ 直 ） 流 電 氣 傳 動 系 統(tǒng) 的 特 點直 流 電

2、氣 傳 動 系 統(tǒng) 特 點 ：l 控 制 對 象 ： 直 流 電 動 機l 控 制 原 理 簡 單 ， 一 種 調(diào) 速 方 式l 性 能 優(yōu) 良 ， 對 硬 件 要 求 不 高 l 電 機 有 換 向 電 刷 （ 換 向 火 化 ） l 電 機 設(shè) 計 功 率 受 限l 電 機 易 損 壞 ， 不 適 應(yīng) 惡 劣 現(xiàn) 場l 需 定 期 維 護(hù) 交 流 電 氣 傳 動 系 統(tǒng) 特 點 ：l 控 制 對 象 ： 交 流 電 動 機l 控 制 原 理 復(fù) 雜 ， 有 多 種 調(diào) 速 方 式l 性 能 較 差 ， 對 硬 件 要 求 較 高l 電 機 無 電 刷 ， 無 換 向 火 化 問 題l 電

3、機 功 率 設(shè) 計 不 受 限l 電 機 不 易 損 壞 ， 適 應(yīng) 惡 劣 現(xiàn) 場l 基 本 免 維 護(hù) 1、 三 相 感 應(yīng) 電 動 機 的 結(jié) 構(gòu)（ 1） 定 子 部 分 定 子 鐵 心 ： 由 導(dǎo) 磁 性 能 很 好 的 硅 鋼 片 疊 成 導(dǎo) 磁 部 分 。 定 子 繞 組 ： 放 在 定 子 鐵 心 內(nèi) 圓 槽 內(nèi) 導(dǎo) 電 部 分 。 機 座 ： 固 定 定 子 鐵 心 及 端 蓋 ， 具 有 較 強 的 機 械 強 度 和 剛 度 。（ 2） 轉(zhuǎn) 子 部 分 轉(zhuǎn) 子 鐵 心 ： 由 硅 鋼 片 疊 成 ， 也 是 磁 路 的 一 部 分 。 轉(zhuǎn) 子 繞 組 ： 1） 鼠 籠 式

4、轉(zhuǎn) 子 ： 轉(zhuǎn) 子 鐵 心 的 每 個 槽 內(nèi) 插 入 一 根 裸導(dǎo) 條 ， 形 成 一 個 多 相 對 稱 短 路 繞 組 。 2） 繞 線 式 轉(zhuǎn) 子 ： 轉(zhuǎn) 子 繞 組為 三 相 對 稱 繞 組 ， 嵌 放 在 轉(zhuǎn) 子 鐵 心 槽 內(nèi) 。 包 括 端 蓋 、 風(fēng) 扇 等 。（ 3） 其 它 部 分二 、 三 相 感 應(yīng) 電 動 機 的 工 作 原 理 及 結(jié) 構(gòu) 按 轉(zhuǎn) 子 結(jié) 構(gòu) 分 ： 繞 線 型 感 應(yīng) 電 動 機籠 型 感 應(yīng) 電 動 機 下 面 是 它 主 要 部 件 的 拆 分 圖 。 右 圖 是 一 臺 三 相 籠 型 感 應(yīng) 電 動機 的 外 形 圖 。 籠 型 轉(zhuǎn) 子

5、鐵心 和 繞 組 結(jié)構(gòu) 示 意 圖三 相 繞 線 型轉(zhuǎn) 子 結(jié) 構(gòu) 圖 2、 三 相 感 應(yīng) 電 動 機 的 工 作 原 理 U2U1 W2 V1W1V2 1n n（ 1） 轉(zhuǎn) 動 原 理 電 生 磁 ： 三 相 對 稱 繞 組 通 往三 相 對 稱 電 流 產(chǎn) 生 圓 形 旋 轉(zhuǎn) 磁場 。 磁 生 電 ： 旋 轉(zhuǎn) 磁 場 切 割 轉(zhuǎn) 子導(dǎo) 體 感 應(yīng) 電 動 勢 和 電 流 。 電 磁 力 ： 轉(zhuǎn) 子 載 流 （ 有 功 分量 電 流 ） 體 在 磁 場 作 用 下 受 電磁 力 作 用 ， 形 成 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 ， 驅(qū)動 電 動 機 旋 轉(zhuǎn) ， 將 電 能 轉(zhuǎn) 化 為機 械 能 。 三

6、、 交 流 異 步 電 機 的 變 頻 調(diào)速調(diào) 速 方 式 主 要 有 ：1、 變 極 調(diào) 速2、 變 頻 調(diào) 速3、 變 轉(zhuǎn) 差 率 調(diào) 速4、 轉(zhuǎn) 子 串 電 阻 調(diào) 速 （ 繞 線 式 ） )1(60)1( 11 spfsnn 當(dāng) 定 子 繞 組 中 通 入 三 相 電 流 后 ， 它 們 共 同 產(chǎn) 生 的 合 成 磁 場 是 隨著 電 流 的 交 變 而 在 空 間 不 斷 地 旋 轉(zhuǎn) 著 ， 這 就 是 旋 轉(zhuǎn) 磁 場 。 表 面 看 來 ， 只 要 改 變 定 子 電 壓 的 頻 率 f就 可 以 調(diào) 節(jié) 轉(zhuǎn) 速 大 小了 ， 但 是 事 實 上 只 改 變 ， 并 不 能 正

7、常 調(diào) 速 為 什 么 呢 ? 假 設(shè) 現(xiàn) 在 只 改 變 f調(diào) 速 設(shè) f上 升 ， 則 將 下 降 ， 于 是 拖 動 轉(zhuǎn) 矩 T下 降 ， 這 樣電 動 機 的 拖 動 能 力 會 降 低 ， 對 恒 轉(zhuǎn) 矩 負(fù) 載 會 因 拖 不 動 而 堵 轉(zhuǎn) ； 倘 若 調(diào) 節(jié) f下降 ， 則 上 升 會 引 起 主 磁 通 飽 和 ， 這 樣 勵 磁 電 流 急 劇 升 高 會 使 定 子 鐵 芯損 耗 I2R急 劇 增 加 。 這 兩 種 情 況 都 是 實 際 運 行 中 所 不 允 許 的 。 由 上 可 知 ， 只 改 變 頻 率 f實 際 上 并 不 能 正 常 凋 速 。 在 許 多

8、 場 合 ， 要 求 在 調(diào)節(jié) 定 子 供 電 頻 率 的 同 時 ， 調(diào) 節(jié) 定 子 供 電 電 壓 U的 大 小 ， 通 過 u和 f的 配 臺 實 現(xiàn)不 同 類 型 的 調(diào) 頻 凋 速 。 所 以 ， 變 頻 的 同 時 也 必 須 變 壓 ， 這 也 就 是 變 頻 器 常 被 簡 稱 為VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 的 原 因 。 根 據(jù) 變 頻 器 的 變 流 環(huán) 節(jié) 的 不 同 進(jìn) 行 分 類 ：（ 1） 交 直 交 變 頻 器交 直 交 變 頻 器 是 先 將 頻 率 固 定 的 交 流 電 整 流 成 直 流 電 ，再 把

9、 直 流 電 逆 變 成 頻 率 任 意 可 調(diào) 的 三 相 交 流 電 ， 又 稱間 接 式 變 頻 器 。 目 前 應(yīng) 用 廣 泛 的 通 用 型 變 頻 器 都 是 交 直交 變 頻 器 。（ 2） 交 交 變 頻 器交 交 變 頻 器 就 是 把 頻 率 固 定 的 交 流 電 直 接 轉(zhuǎn) 換 成 頻 率 任意 可 調(diào) 的 交 流 電 ， 而 且 轉(zhuǎn) 換 前 后 的 相 數(shù) 相 同 ， 又 稱 直 接式 變 頻 器 。 通 用 變 頻 器 的 構(gòu) 造 主 回 路 包 括 整 流 部 分 、 直 流 環(huán) 節(jié) 、 逆 變 部 分 、 制 動 或回 饋 環(huán) 節(jié) 等 部 分 。 整 流 部 分

10、 儲 能 環(huán) 節(jié) 逆 變 部 分 M控 制 系 統(tǒng)交 流交 流 低 壓 交 直 交 通 用 變 頻 器 系 統(tǒng) 框 圖直 流 直 流 交 流整 流 電 路 將 交 流 電 變 換 成 直 流 電 ，直 流 中 間 電 路 對 整 流 電 路 的 輸 出 進(jìn) 行 平 滑 濾 波 ，逆 變 電 路 將 直 流 電 再 逆 變 成 交 流 電 。 單 相 逆 變 電 路 工 作 原 理S1S4 S2S3Ed U1 S1,S3導(dǎo) 通 S2,S4導(dǎo) 通 S1,S3導(dǎo) 通S2,S4導(dǎo) 通 S1,S3導(dǎo) 通 S2,S4導(dǎo) 通f1f2EdU1逆 變 器 的 功 能 ： l 通 過 改 變 開 關(guān) 管 導(dǎo) 通

11、時 間 改 變 輸 出 電 壓 的 頻 率l 通 過 改 變 開 關(guān) 管 導(dǎo) 通 順 序 改 變 輸 出 電 壓 的 相 序 S1S4 S5S2S3S6U VEd W 561UUVUVWUVW 612 123 234 345 456 561 612Ed缺 點 ： l 輸 出 電 壓 的 諧 波 分 量 太 大l 電 機 諧 波 損 耗 增 加 ， 發(fā) 熱 嚴(yán) 重 甚 至 燒 壞 電 機l 轉(zhuǎn) 矩 脈 動 較 大 ， 低 速 運 行 時 影 響 轉(zhuǎn) 速 的 平 穩(wěn)l 直 到 從 通 信 技 術(shù) 中 采 用 PWM調(diào) 制 才 大 大 的 緩 解 了 以 上 問 題電 機 PWM調(diào) 制 載 波 PW

12、M（ Pulse Width Moduration） 調(diào) 制l PWM控 制 是 利 用 半 導(dǎo) 體 開 關(guān) 器 件 的 導(dǎo) 通 與 關(guān) 斷 把 直 流 電 壓 變 為 一 系 列 等 幅 (幅值 等 于 輸 入 直 流 電 壓 )電 壓 脈 沖 序 列 ， 控 制 電 壓 脈 沖 寬 度 和 脈 沖 序 列 的 周 期 以 達(dá)到 變 壓 變 頻 的 目 的 。 改 變 開 關(guān) 通 斷 時 間 比 就 可 以 改 變 輸 出 電 壓 的 大 小 。l 逆 變 器 的 輸 出 脈 沖 的 幅 度 取 決 于 逆 變 器 直 流 電 壓 ， 脈 沖 的 寬 度 取 決 于 控 制 電 壓uc， 而

13、 脈 沖 寬 度 的 變 化 周 期 就 是 控 制 信 號 的 周 期 1 f。控 制 電 壓 載 波 控 制 電 壓 交 流 調(diào) 速 的 控 制 核 心 是 ： 只 有 保 持 電 機 磁 通 恒 定 才 能 保 證 電 機 出 力 ， 才 能 獲 得 理 想 的 調(diào) 速 效 果V/F控 制 簡 單 實 用 ， 性 能 一 般 ， 使 用 最 為 廣 泛l 只 要 保 證 輸 出 電 壓 和 輸 出 頻 率 恒 定 就 能 近 似 保 持 磁 通 保 持 恒 定 例 : 對 于 380V 50Hz電 機 ， 當(dāng) 運 行 頻 率 為 40HZ時 ， 要 保 持 V/F 恒 定 ， 則 40H

14、Z時 電 機 的 供 電 電 壓 :380 （ 40/50) 304V l 低 頻 時 ， 定 子 阻 抗 壓 降 會 導(dǎo) 致 磁 通 下 降 ， 需 將 輸 出 電 壓 適 當(dāng) 提 高矢 量 控 制 性 能 優(yōu) 良 ， 可 以 與 直 流 調(diào) 速 媲 美 ， 技 術(shù) 成 熟 較 晚l 模 仿 直 流 電 機 的 控 制 方 法 ， 采 用 矢 量 坐 標(biāo) 變 換 來 實 現(xiàn) 對 異 步 電 機 定 子 勵 磁 電 流 分 量 和 轉(zhuǎn) 矩 電 流 分 量 的 解 耦 控 制 ， 保 持 電 機 磁 通 的 恒 定 ， 進(jìn) 而 達(dá) 到 良 好 的 轉(zhuǎn) 矩 控 制 性 能 ， 實 現(xiàn) 高 性 能

15、控 制 。 性 能 優(yōu) 良 ， 控 制 相 同 復(fù) 雜 ， 直 到 90代 計 算 機 技 術(shù) 迅 速 發(fā) 展 才 真 正 大 范 圍 使 用 1、 朱 莊 礦 井 下 提 升 機 1140V 500KW隔 爆兼 本 安 型 四 象 限 變 頻 調(diào) 速 電 控 裝 置四 、 變 頻 調(diào) 速 技 術(shù) 在 集 團(tuán) 公 司 的 應(yīng) 用 朱 莊 礦 井 下 副 暗 立 井 提 升 機 型 號 為 2JK-3/11.5， 雙滾 筒 ， 滾 筒 直 徑 3m， 電 動 機 為 500KW、 6KV、 490轉(zhuǎn) 分 ，提 升 最 大 速 度 Vm=6.71m/s。 關(guān) 鍵 技 術(shù) ：A、 500KW、 11

16、40V大 功 率 四 象 限 防 爆 變 頻 器 的 主 回 路 結(jié)構(gòu) ， 采 用 3300V/400A高 電 壓 、 大 功 率 IGBT模 塊 ， 結(jié) 構(gòu) 緊湊 ， 體 積 小 ， 安 裝 方 便 。B、 采 用 無 速 度 傳 感 器 矢 量 控 制 技 術(shù) ；C、 采 用 AFE的 自 換 向 控 制 技 術(shù) 實 現(xiàn) 能 量 回 饋 制 動 ；D、 采 用 雙 PLC完 成 井 下 提 升 機 的 各 種 保 護(hù) 及 控 制 ；E、 采 用 真 空 熱 管 散 熱 技 術(shù) 解 決 大 功 率 防 爆 變 頻 裝 置 的散 熱 問 題 。目 標(biāo) ： 實 現(xiàn) 提 升 全 過 程 變 頻 調(diào)

17、 速 控 制 ， 滿 足 提 升 機 各 種運 行 方 式 ， 電 氣 防 爆 ， 滿 足 煤 礦 安 全 規(guī) 程 要 求 ， 安全 可 靠 ， 技 術(shù) 先 進(jìn) ， 維 修 方 便 ， 節(jié) 能 降 耗 等 。 系 統(tǒng) 組 成 1140V 500KW隔 爆 兼 本 安 型 四 象 限 變 頻 調(diào) 速 電 控 裝置 劃 分 為 ： 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) (由 輸 入 電 抗 器 箱 +VFD1、 變 頻器 箱 +VFD2、 輸 出 電 抗 器 箱 +VFD3組 成 )； PLC控 制 系統(tǒng) (由 PLC控 制箱 +DS、 司 機臺 +PA組 成 )；信 號 系 統(tǒng) (+LM)。系 統(tǒng) 組 成 圖

18、 所 示 。 無 速 度 傳 感 器 矢 量 控 制 技 術(shù) 。采 用 全 數(shù) 字 無 速 度 傳 感 器 矢 量 控 制 ， 變 頻 器 在 低 頻 運 行時 ， 也 保 證 有 100%額 定 力 矩 輸 出 。 最 大 轉(zhuǎn) 矩 為 額 定 轉(zhuǎn) 矩的 2倍 ， 0.5HZ即 可 達(dá) 到 1.7倍 以 上 的 起 動 轉(zhuǎn) 矩 。 電 氣 制 動 方 式 為 AFE回 饋 制 動（ 1） 能 耗 制 動 的 變 頻 絞 車 電 控二 象 限 變 頻 器 配 上 制 動 單 元 和 制 動 電 阻 后 ， 可 以 進(jìn) 行 四 象限 運 行 。 由 于 電 動 機 的 再 生 能 量 完 全 消

19、耗 在 電 阻 上 ， 浪 費了 大 量 的 電 能 ， 因 而 這 類 變 頻 器 適 用 在 小 功 率 的 電 機 上 ，并 且 也 適 用 在 非 防 爆 的 礦 井 提 升 機 上 。 (2)采 用 回 饋 單 元 此 系 統(tǒng) 雖 然 也 是 回 饋 制 動 ， 但 其 整 流側(cè) 為 六 脈 動 整 流 橋 ， 為 不 可 控 整 流 。 因 此 當(dāng) 再 生 能 量 產(chǎn) 生時 ， 通 過 回 饋 單 元 經(jīng) 自 耦 變 壓 器 回 饋 電 網(wǎng) ， 此 時 回 饋 電 網(wǎng)的 波 形 接 近 于 方 波 ， 故 在 回 饋 時 對 電 網(wǎng) 造 成 非 常 大 的 污 染 。 （ 3） 采

20、 用 AFE技 術(shù) 的 四 象 限 變 頻 絞 車 電 控整 流 器 與 逆 變 器 具 有 相 同 的 主 回 路 結(jié) 構(gòu) ， 是 由 IGBT模 塊 組成 。 其 顯 著 特 點 是 電 源 側(cè) 電 流 波 形 為 正 弦 波 ； 功 率 因 數(shù) 可調(diào) ； 可 工 作 在 電 動 或 發(fā) 電 狀 態(tài) ； 有 電 壓 提 升 功 能 可 補 償 電網(wǎng) 電 壓 降 低 的 影 響 ； 在 發(fā) 電 狀 態(tài) 時 ， 當(dāng) 電 網(wǎng) 電 壓 消 失 時 不會 造 成 逆 變 失 敗 。 采 用 AFE自 換 向 變 頻 新 技 術(shù) ， 使 絞 車 在 減 速 段 或 重 物 下放 操 作 時 系 統(tǒng) 能

21、 自 動 轉(zhuǎn) 入 發(fā) 電 反 饋 狀 態(tài) ， 使 制 動 更 平 穩(wěn) ，結(jié) 構(gòu) 更 簡 單 ， 大 大 提 高 了 安 全 可 靠 性 能 。網(wǎng) 側(cè) 變 頻 器 采 用 PWM斬 波 調(diào) 制 ， 使 輸 入 電 流 波 形 為 正 弦波 ， 大 大 減 小 對 電 網(wǎng) 的 諧 波 污 染 ， 總 諧 波 電 流 含 量 4%。 系 統(tǒng) 特 點 ：（ 1） 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 、 體 積 小 、 移 動 方 便 。（ 2） 以 全 數(shù) 字 變 頻 調(diào) 速 為 基 礎(chǔ) ,以 矢 量 控 制 技 術(shù) 為 核 心 ，使 異 步 電 機 的 調(diào) 速 性 能 可 以 與 直 流 電 機 相 媲 美 。 表 現(xiàn)

22、 在 低頻 轉(zhuǎn) 矩 大 、 調(diào) 速 平 滑 、 調(diào) 速 范 圍 廣 、 精 度 高 、 節(jié) 能 明 顯 等 。（ 3） 操 作 簡 單 、 運 行 穩(wěn) 定 、 故 障 率 低 、 基 本 免 維 護(hù) 。（ 4） 功 率 因 數(shù) 高 （ 0.95以 上 ） ， 諧 波 含 量 符 合 國 標(biāo) 。 2、 礦 井 主 扇 風(fēng) 機 高 壓 變 頻 調(diào) 速 裝 置近 年 來 ， 許 多 礦 井 采 用 對 旋 式 主 扇 風(fēng) 機 ， 該 類 型 風(fēng) 機 采 用 交 流隔 爆 異 步 電 機 雙 電 機 拖 動 ， 靠 調(diào) 節(jié) 葉 片 角 度 改 變 風(fēng) 量 。 這 種 調(diào)節(jié) 必 須 在 風(fēng) 機 停 機

23、時 才 能 進(jìn) 行 ， 調(diào) 整 困 難 ， 且 范 圍 小 ； 另 一 種調(diào) 節(jié) 方 式 是 調(diào) 節(jié) 風(fēng) 機 電 機 轉(zhuǎn) 速 。海 孜 礦 中 央 風(fēng) 井 配 置 兩 臺 BD-II-8-26型 對 旋 風(fēng) 機 ， 一 用 一 備 ，每 臺 風(fēng) 機 配 置 兩 臺 450kW、 6kV防 爆 型 鼠 籠 電 機 。 因 礦 井 通 風(fēng)系 統(tǒng) 變 化 ， 風(fēng) 機 葉 片 角 度 已 調(diào) 到 最 小 ， 并 使 用 風(fēng) 門 調(diào) 節(jié) 風(fēng) 量 。這 樣 造 成 風(fēng) 機 系 統(tǒng) 運 行 效 率 低 ， 電 能 浪 費 大 ， 運 行 狀 況 差 。 風(fēng) 機 型 號 ： BD-II-8-No.26 變 頻

24、 器 變 頻 器 型 號 ： HIVERT-Y06/120P 靜 壓 ： 1200-4200Pa 額 定 輸 入 電 壓 ：6+15%kV風(fēng) 量 ： 185-95m3/s 額 定 輸 入 電 流 ： 120A廠 家 ： 湖 南 湘 潭 平 安電 氣 集 團(tuán) 輸 出 電 壓 ： 0-6kV電 動 機 型 號 ： YBF630SI-8 輸 出 電 流 ： 0-120A功 率 ： 2 450kW 輸 出 頻 率 ： 0-50Hz額 定 電 壓 ： 6kV 控 制 方 式 ： 空 間 電 壓矢 量 控 制額 定 電 流 ： 2 56.6A額 定 轉(zhuǎn) 速 ： 744r/min 海 孜 礦 中 央 風(fēng)井

25、主 扇 風(fēng) 機 *風(fēng) 機 變 頻 調(diào) 速 節(jié) 能 分 析 變 頻 調(diào) 速 是 通 過 改 變 電 源 頻 率 f來 調(diào) 節(jié) 電 動 機 轉(zhuǎn) 速 的 。 根 據(jù)風(fēng) 機 、 水 泵 的 相 似 定 律 ， 變 速 前 后 風(fēng) 量 、 風(fēng) 壓 、 軸 功 率 與 轉(zhuǎn) 速之 間 關(guān) 系 為 ：Q1/Q2=n1/n2H1/H2=（ n1/n2） 2P1/P2=（ n1/n2） 3Q1 、 H1、 P1風(fēng) 機 在 n1轉(zhuǎn) 速 時 的 風(fēng) 量 、 風(fēng) 壓 、 軸 功 率 ；Q2、 H2、 P2風(fēng) 機 在 n2轉(zhuǎn) 速 時 相 似 工 況 條 件 下 的 風(fēng) 量 、 風(fēng) 壓 、軸 功 率 。 假 如 轉(zhuǎn) 速 降

26、 低 一 半 ， 即 ： n2/n1=1/2， 則 P2/P1=1/8， 可 見降 低 轉(zhuǎn) 速 能 大 大 降 低 軸 功 率 達(dá) 到 節(jié) 能 的 目 的 。 調(diào) 節(jié) 風(fēng) 機 轉(zhuǎn) 速 與 調(diào) 節(jié) 風(fēng) 門 改 變 風(fēng) 量 ， 風(fēng) 機 運 行 的 工 況 點 和 特 性如 圖 所 示 。 調(diào) 節(jié) 通 風(fēng) 機 轉(zhuǎn) 速 改 變 風(fēng) 量 的 運 行 方 式 節(jié) 電 效 果 顯 著 。 本 項 目 首 次 將 單 元 串 聯(lián) 多 電 平 式 高 壓 變 頻 調(diào) 速 技 術(shù) 應(yīng) 用 于 礦井 主 扇 風(fēng) 機 上 ， 改 變 了 風(fēng) 機 運 行 工 況 ， 提 高 了 風(fēng) 機 運 行 效 率及 裝 備 水 平

27、 ， 確 保 了 礦 井 通 風(fēng) 安 全 。 由 于 兩 個 電 機 的 參 數(shù) 一樣 ， 由 一 臺 1000kW容 量 的 高 壓 變 頻 器 控 制 兩 臺 電 機 ， 開 環(huán) 定速 運 行 ， 風(fēng) 量 風(fēng) 壓 控 制 在 滿 足 礦 井 的 需 要 ， 大 大 降 低 能 耗 ，減 少 維 修 工 作 量 。 因 此 ， 研 制 高 壓 變 頻 調(diào) 速 裝 置 ， 降 低 風(fēng) 機運 行 速 度 ， 同 時 調(diào) 整 葉 片 角 度 在 最 佳 角 度 ， 風(fēng) 機 在 高 效 區(qū) 域運 行 ， 既 滿 足 礦 井 風(fēng) 量 要 求 ， 又 提 效 節(jié) 能 。 風(fēng) 機 供 電 系 統(tǒng) 圖變 頻

28、 器2#切 換 柜 1#切 換 柜 3#切 換 柜1#風(fēng) 機 2#風(fēng) 機I段 母 線 II段 母 線 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu)高 壓 變 頻 器 采 用 交 -直 -交 直 接高 壓 （ 高 -高 ） 方 式 ， 主 電 路 開關(guān) 元 件 為 IGBT。 由 于 IGBT耐 壓所 限 ， 無 法 直 接 逆 變 輸 出 6KV，而 因 開 關(guān) 頻 率 高 、 均 壓 難 度 大等 技 術(shù) 難 題 無 法 完 成 直 接 串 聯(lián) 。采 用 功 率 單 元 串 聯(lián) ， 疊 波 升 壓 ，充 分 利 用 常 壓 變 頻 器 的 成 熟 技術(shù) ， 具 有 很 高 的 可 靠 性 。 單 元 A1 單 元 B1

29、單 元 C1 電 動 機輸 入 三 相 交 流 電源 單 元 A2 單 元 C2單 元 B2單 元 A3 單 元 C3單 元 B3單 元A4 單 元 C4單 元B4單 元 A5 單 元 C5單 元 B5移 相 二次 線 圈 隔 離 變 壓 器 功 率 單 元 圖 HIVERT 高 壓 變 頻 器 6KV系 列 主 電 路 圖 變 頻 器 輸 出 是 將 每 相 5個 三 相 輸 入 、 單 相 輸 出 的 低 壓功 率 單 元 串 聯(lián) 疊 波 得 到 。 3相 輸 出 Y接 ， 中 性 點 懸 浮 ，得 到 驅(qū) 動 電 機 所 需 的 可 變 頻 三 相 高 壓 電 源 。 圖 3.4為6kV

30、 變 頻 器 的 電 壓 疊 加 示 意 圖 。線 電 壓 相 電 壓 6kV電 壓 疊 加 圖 l 隔 離 變 壓 器 付 邊 采 用 延 邊 三 角 形 接 法 ， 繞 組 間 有 12 的 相位 差 ， 相 當(dāng) 于 30脈 沖 整 流 輸 入 ， 從 而 消 除 了 大 部 分 由 單 個功 率 單 元 所 引 起 的 諧 波 電 流 。 下 圖 為 6kV系 列 輸 入 電 流 實錄 波 形 ， 電 流 峰 值 120A， 幾 近 完 美 的 正 弦 波 。 無 需 在 輸入 側(cè) 安 裝 濾 波 器 ， 正 常 調(diào) 速 范 圍 內(nèi) 功 率 因 數(shù) 大 于 0.95， 無需 功 率 因

31、數(shù) 補 償 電 容 ； 可 以 減 少 無 功 輸 入 ， 降 低 供 電 容 量 。輸 入 電 流 波 形 LL 快 熔 二 極 管 整 流 直 流 環(huán) 節(jié) 逆 變 輸 出 單 元 輸 出原 理 功 率 單 元 功 率 單 元 通 過 光 纖 接 收 信 號 ， 采 用 空 間 矢 量 正 弦 波 脈 寬 調(diào) 制 （ PWM） 方 式 ， 控 制 Q1Q4 IGBT的 導(dǎo) 通 和 關(guān) 斷 ， 輸 出 單 相 脈 寬 調(diào) 制 波 形 。 功 率 單 元 具 有 旁 路 功 能 。 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 方 案 ：為 了 充 分 利 用 變 頻 器 和 保 證 系 統(tǒng) 運 行 的 可 靠 性 ， 系

32、統(tǒng) 共 設(shè) 置 了 三個 切 換 柜 。 下 圖 為 高 壓 變 頻 器 改 造 過 程 中 高 壓 變 頻 器 柜 ， 變 頻 器電 源 柜 和 三 臺 切 換 柜 。 3#切 換 柜 對 應(yīng) 東 臺 風(fēng) 機 ， 2#切 換 柜 對 應(yīng) 西臺 風(fēng) 機 ， 1#切 換 柜 的 手 柄 打 到 上 位 置 時 變 頻 器 輸 出 對 應(yīng) 2#切 換 柜 ，1#切 換 柜 的 手 柄 打 到 下 位 置 時 變 頻 器 輸 出 對 應(yīng) 3#切 換 柜 。 變 頻 器 單 元 柜變 頻 器 變 壓 器 柜變 頻 器 電 源 柜1#切 換 柜2#切 換 柜3#切 換 柜 中 央 風(fēng) 井 高 壓 變 頻

33、 器 系 統(tǒng) 布 置 圖 串 聯(lián) 銅 排散 熱 器Y接 中 點 短 接 線快 熔三 相 輸 入 電 纜輸 出 電 流 檢 測 通 訊 光 纖單 元 固 定 螺 釘 變 頻 改 造 實 現(xiàn) 的 效 果 ： （ 1） 可 以 實 現(xiàn) 遠(yuǎn) 程 監(jiān) 控 ， 對 礦 井 精 確 配 風(fēng) ， 確 保 礦 井 通 風(fēng) 安 全 。 （ 2） 節(jié) 電 效 果 顯 著 。 改 造 前 海 孜 礦 中 央 風(fēng) 井 風(fēng) 機 運 行 效 率 低 ， 在45 以 下 ， 采 用 高 壓 變 頻 調(diào) 速 裝 置 后 ， 風(fēng) 機 效 率 提 高 到 78 以 上 ，年 節(jié) 電 92萬 KWh。 （ 3） 變 頻 器 根 據(jù)

34、設(shè) 定 頻 率 調(diào) 節(jié) 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 速 ， 實 現(xiàn) 風(fēng) 機 的 轉(zhuǎn) 速 自動 控 制 ， 投 入 變 頻 器 后 風(fēng) 機 進(jìn) 風(fēng) 閘 門 全 部 打 開 ， 增 設(shè) DCS控 制 系 統(tǒng) 后 ，實 現(xiàn) 風(fēng) 機 的 遠(yuǎn) 程 聯(lián) 網(wǎng) 控 制 ， 實 現(xiàn) 無 人 操 作 。 （ 4） 減 少 了 對 電 網(wǎng) 的 沖 擊 ， 延 長 了 電 機 及 風(fēng) 機 的 使 用 壽 命 。 （ 5） 維 護(hù) 量 減 少 。 采 用 變 頻 調(diào) 速 后 ， 風(fēng) 機 的 振 動 、 噪 音 和 溫 度 明顯 降 低 3、 朔 里 礦 付 井 提 升 機 高 壓 變 頻 調(diào) 速 電 控裝 置現(xiàn) 場 技 術(shù) 參

35、 數(shù) ：電 機 ： 6kV/630kW 減 速 機 ： 11.5 滾 筒 ： 直 徑 3米 井 深 ：234.8米 最 大 提 升 速 度 ： 7.66米 加 速 時 間 ： 14秒 減 速 時 間 ： 13秒 l 朔 里 礦 副 井 提 升 高 度 234.8m， 原 提 升 速 度 為 8.1m/s，超 速 運 行 ， 不 符 合 煤 礦 安 全 規(guī) 程 規(guī) 定 ， 屬 重 大 安全 隱 患 。l 整 個 系 統(tǒng) 在 運 行 期 間 ， 出 現(xiàn) 失 控 區(qū) ， 易 造 成 減 速 段 超速 。l 整 個 系 統(tǒng) 調(diào) 速 性 能 差 ， 機 械 沖 擊 大 ， 系 統(tǒng) 運 行 不 穩(wěn) 定 。

36、l 高 壓 低 頻 換 向 裝 置 ,型 號 為 CC5150N/63， 服 務(wù) 年 限長 ， 機 構(gòu) 老 化 ， 存 在 嚴(yán) 重 安 全 隱 患 ； 安 全 性 能 差 ， 故障 率 高 ， 噪 音 大 ， 能 耗 高 ， 降 低 了 系 統(tǒng) 的 安 全 性 ， 給系 統(tǒng) 的 正 常 運 行 帶 來 隱 患 ； 維 護(hù) 量 大 ， 維 護(hù) 點 多 ， 維護(hù) 費 用 高 。 l 一 個 提 升 周 期 為 180秒 ， 分 為 加 速 、 高 速 運 行 、 減 速 、 低 速 爬行 、 停 機 五 個 過 程 。 為 了 提 高 日 采 煤 量 ， 必 須 壓 縮 提 升 周 期 ， 要 求

37、提 升 機 在 10秒 內(nèi) 從 OHz上 升 到 50Hz運 行 。 又 在 10秒 內(nèi) 提 升 機 從 額定 轉(zhuǎn) 速 降 到 2Hz運 行 ， 提 升 機 轉(zhuǎn) 筒 ,斗 車 慣 量 很 大 ， 減 速 過 程 中 將 產(chǎn)生 80%額 定 功 率 的 能 量 回 饋 。 礦 井 提 升 機 運 行 特 點 如 下 ：l恒 轉(zhuǎn) 矩 起 動 ， 轉(zhuǎn) 動 慣 量 大 ；l頻 繁 啟 停 ， 正 反 轉(zhuǎn) 交 替 運 行 。 3分 鐘一 個 周 期 ， 急 起 急 停 ， 需 要 變 頻 器 具備 四 象 限 運 行 能 力 ， 提 升 急 停 或 重 物下 放 時 變 頻 器 將 再 生 電 能 送

38、向 電 網(wǎng) ； l恒 轉(zhuǎn) 矩 低 速 爬 行 時 需 求 速 度 平 穩(wěn) l 要 求 ：l （ 1） 原 有 電 控 系 統(tǒng) 和 電 動 機 等 保 留 ， 增 加 高 壓 變 頻調(diào) 速 裝 置 ；l （ 2） 利 用 用 現(xiàn) 有 的 操 作 控 制 系 統(tǒng) 控 制 新 變 頻 裝 置 ，并 可 使 新 老 系 統(tǒng) 切 換 工 作 。 要 求 變 頻 器 可 以 用 雙 電源 供 電 ， 可 以 自 由 切 換 使 用 兩 臺 電 機 。l 方 案 ：l （ 1） 按 著 要 求 ， 在 原 來 系 統(tǒng) 上 增 加 一 臺 高 壓 開 關(guān) 柜 ；增 加 兩 臺 高 壓 切 換 柜 ， 來 切

39、換 高 壓 電 源 和 電 機 ；l （ 2） 在 兩 臺 電 機 的 主 軸 上 安 裝 軸 編 碼 器 ；l （ 3） 增 加 HIVERT-YVF06/077高 壓 變 頻 器 一 臺 。 變 頻 器 相 關(guān) 參 數(shù)型 號 ：HIVERTYVF06/077輸 入 電 壓 ： 6kV輸 出 電 壓 ： 0-6kV輸 出 電 流 ： 0-77A輸 出 頻 率 ： 0-50Hz運 行 方 式 ： 四 象 限控 制 方 式 ： 帶 速 度 反饋 的 矢 量 控 制 l高 壓 變 頻 調(diào) 速 柜 是 該 系 統(tǒng) 的 調(diào) 速 設(shè) 備 ， 具 有能 量 回 饋 特 性 的 四 象 限 高 壓 變 頻

40、調(diào) 速 裝 置 及 其它 必 要 的 電 器 組 成 ， 用 于 向 交 流 電 機 供 電 。l高 壓 變 頻 調(diào) 速 裝 置 將 50Hz工 頻 變 成 050Hz連續(xù) 可 調(diào) 的 變 頻 電 源 ， 電 動 狀 態(tài) 時 從 電 網(wǎng) 吸 取 能量 ， 使 電 動 機 產(chǎn) 生 電 動 力 ； 制 動 狀 態(tài) 時 工 作 于逆 變 狀 態(tài) ， 將 能 量 返 回 電 網(wǎng) ， 使 電 動 機 產(chǎn) 生 制動 力 ， 完 成 對 電 機 啟 動 、 調(diào) 速 、 驗 繩 、 低 于 額定 速 度 運 行 等 控 制 過 程 。 l 帶 速 度 反 饋 的 矢 量 控 制 ：調(diào) 節(jié) 矢 量 控 制 控

41、制 功 率 單 元串 聯(lián) 控 制采 用 轉(zhuǎn) 子 帶 速 度 反 饋 的 矢 量 控 制 技 術(shù) 。在 轉(zhuǎn) 子 磁 場 定 位 坐 標(biāo) 下 電 機 定 子 電 流 分 解 成 勵 磁 電 流 與 轉(zhuǎn) 矩 電 流 。維 持 勵 磁 電 流 不 變 ， 控 制 轉(zhuǎn) 矩 電 流 也 就 控 制 電 機 轉(zhuǎn) 矩 。 電 機轉(zhuǎn) 速 采 用 閉 環(huán) 控 制 。 實 際 運 行 中 給 定 轉(zhuǎn) 速 與 實 際 轉(zhuǎn) 速 的 差 值通 過 PID調(diào) 節(jié) 生 成 轉(zhuǎn) 矩 電 流 IT。 經(jīng) 過 矢 量 變 換 將 IT、 IM變 換 為 電 機 三 相 給 定 電 流 Ia*、 Ib*、 Ic*， 它 們 與 電

42、機 運 行 電 流 相 比較 生 成 三 相 驅(qū) 動 信 號 。 單 元 A1 單 元 B1 單 元 C1電 動 機輸 入 三 相 交 流 電源 （ 6 ） 單 元 A2 單 元 C2單 元 B2單 元 A3 單 元 C3單 元 B3單 元 A4 單 元 C4單 元 B4單 元 A5 單 元 C5單 元 B5移 相 二次 線 圈主 隔 離 變 壓 器 功 率 單 元 單 元 C6單 元 B6單 元 A6 主 功 率 系 統(tǒng)1、 隔 離 變 壓 器 ： 隔 離 變 壓器 為 輸 入 6000V， 輸 出580V的 移 相 變 壓 器 ， 為 每個 單 元 單 獨 提 供 動 力 電 源 ；2、

43、功 率 單 元 ： 每 個 功 率 單元 是 一 個 獨 立 的 變 頻 器 ，即 可 以 為 電 機 提 供 變 頻 后的 電 源 ， 有 可 以 通 過 控 制 ，實 現(xiàn) 有 源 逆 變 ， 能 量 在 單元 內(nèi) 實 現(xiàn) 雙 向 流 動 。 功 率 單 元 單 元 輸 出直 流 環(huán) 節(jié)緩 沖 環(huán) 節(jié)快 熔 + Q3Q1 Q4 L2L1Q2+R +TS DI2DI1 DI3DI4 DI6DI5RST濾 波 環(huán) 節(jié)WVU 同 步 整 流 和 有 源 逆 變功 率 單 元 由 功 率 單 元 本 身 和 濾 波 環(huán) 節(jié) 組 成 ：1、 濾 波 環(huán) 節(jié) ： 由 Y型 接 法 的 電 容 和 三 相

44、 電 抗 器 組 成 ；2、 功 率 單 元 本 身 ： 由 快 熔 、 緩 沖 環(huán) 節(jié) 、 同 步 整 流 和 有 源逆 變 環(huán) 節(jié) 、 直 流 環(huán) 節(jié) 、 單 元 逆 變 輸 出 環(huán) 節(jié) 組 成 。 功 率 單 元 單 元 正 面 圖 單 元 側(cè) 面 圖 現(xiàn) 場 運 行 對 比 圖用 變 頻 器 的 運 行 圖 用 老 系 統(tǒng) 的 運 行 圖 特 點 和 創(chuàng) 新 點l 主 要 特 點 和 創(chuàng) 新 點 ：l （ 1） 采 用 單 元 串 聯(lián) 多 電 平 式 結(jié) 構(gòu) ， 實 現(xiàn) 提 升 全 過 程 變 頻調(diào) 速 閉 環(huán) 控 制 、 無 級 調(diào) 速 和 多 速 度 等 級 運 行 ， 滿 足 副

45、 井提 升 機 各 種 運 行 工 況 及 特 殊 載 荷 運 行 條 件 ；l （ 2） 采 用 AFE自 換 向 變 頻 控 制 技 術(shù) 實 現(xiàn) 能 量 回 饋 ， 可 實現(xiàn) 四 象 限 運 行 ， 可 靠 性 高 ， 輸 入 側(cè) 功 率 因 數(shù) 高 且 波 形 畸變 小 ；l （ 3） 采 用 矢 量 控 制 技 術(shù) ， 電 機 啟 動 轉(zhuǎn) 矩 大 ， 過 載 能 力 強 ，能 保 證 200%額 定 轉(zhuǎn) 矩 輸 出 1分 鐘 。 l （ 4） 節(jié) 電 效 果 顯 著 ， 與 原 電 控 系 統(tǒng) 相 比 ， 可 節(jié) 電 30 左右 ； 與 原 轉(zhuǎn) 子 串 電 阻 調(diào) 速 控 制 電 路

46、可 以 互 相 切 換 ， 互 為備 用 。l l 朔 里 礦 副 井 電 控 系 統(tǒng) 改 造 成 變 頻 調(diào) 速 后 ， 克 服 了 原 系 統(tǒng) 的 缺 陷 ， 具有 以 下 優(yōu) 點 ：l (1) 解 決 了 煤 礦 安 全 規(guī) 程 第 424條 規(guī) 定 ： 立 井 罐 籠 提 升 最 大 速 度不 得 超 過 v=0.5=0.5 =7.66 m/s， 原 朔 里 礦 副 井 速 度 為 8.1m/s(工 頻50赫 茲 狀 態(tài) 下 )， 現(xiàn) 高 壓 變 頻 運 行 最 高 頻 率 為 46.66赫 茲 ,最 大 速 度 為7.6m/s7.66 m/s。 符 合 煤 礦 安 全 規(guī) 程 規(guī) 定

47、 。l (2) 有 良 好 的 調(diào) 速 性 能 ， 調(diào) 速 精 度 高 。 啟 動 、 制 動 平 穩(wěn) ， 調(diào) 速 連 續(xù) 方便 ， 連 續(xù) 平 滑 調(diào) 節(jié) ， 提 升 人 員 時 使 乘 罐 人 員 乘 座 舒 適 ； 低 速 爬 行 平穩(wěn) ， 定 位 精 度 高 ； 通 過 減 少 爬 行 距 離 ， 縮 短 了 提 升 時 間 ， 增 大 了 日提 升 量 。l (3)啟 動 及 加 速 過 程 沖 擊 電 流 小 ， 提 升 機 在 重 載 下 從 低 速 平 穩(wěn) 無 級 平滑 的 升 至 高 速 ， 沒 有 大 電 流 出 現(xiàn) ， 減 小 了 對 電 網(wǎng) 的 沖 擊 ， 延 長 設(shè)

48、備壽 命 。 l 4)四 象 限 運 行 ， 能 快 速 進(jìn) 行 正 、 反 轉(zhuǎn) 運 行 ， 制 動 時 ， 將 能 量 回 饋 電網(wǎng) ， 節(jié) 約 能 源 ； 節(jié) 能 效 果 顯 著 ， 據(jù) 實 測 可 達(dá) 到 30%以 上 。l (5)降 低 了 運 行 噪 聲 、 發(fā) 熱 量 ， 改 善 了 現(xiàn) 場 環(huán) 境 ； 自 動 化 程 度 高 ， 操作 簡 單 ， 降 低 司 機 勞 動 強 度 和 操 作 難 度 ， 改 善 了 司 機 的 工 作 環(huán) 境 ，使 噪 音 及 室 溫 降 低 。 l (6)電 控 系 統(tǒng) 現(xiàn) 場 變 更 控 制 內(nèi) 容 十 分 簡 單 ， 安 裝 調(diào) 試 容 易

49、。關(guān) 鍵 器 件 采 用 高 可 靠 性 進(jìn) 口 產(chǎn) 品 ， 電 子 元 件 全 部 進(jìn) 行 老化 篩 選 ， 保 證 了 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 。 變 頻 系 統(tǒng) 無 需 原 電 控 調(diào) 速 用的 交 流 接 觸 器 及 調(diào) 速 電 阻 ， 可 靠 性 大 為 提 高 。 這 樣 ， 每天 用 于 維 護(hù) 電 控 系 統(tǒng) 的 人 員 和 材 料 大 為 降 低 。 另 外 ， 故障 減 少 ， 提 高 了 勞 動 生 產(chǎn) 率 。 采 用 模 塊 式 結(jié) 構(gòu) ， 一 旦 電路 出 現(xiàn) 故 障 ， 可 快 速 更 換 ， 不 影 響 生 產(chǎn) 。l (7)輸 入 、 輸 出 諧 波 含 量 低 ， 輸 入 功 率 因 數(shù) 高 。 可 以驅(qū) 動 普 通 交 流 異 步 電 動 機 ， 在 有 交 流 提 升 機 電 控 系統(tǒng) 改 造 時 可 以 保 留 原 電 動 機 ， 不 用 購 置 專 用 變 頻 調(diào)速 電 機 ， 并 且 不 需 增 加 諧 波 抑 制 及 無 功 補 償 裝 置 ，減 少 改 造 難 度 和 設(shè) 備 投 資 。l