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匯川HD92四象限高壓變頻器在礦井提升機的應用

2021/5/19 20:00:33

一、背景介紹
礦井提升機主要由電動機、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動系統、深度指示系統、測速限速系統和操縱系統等組成，采用交流或直流電機驅動。
目前大部分大中型煤礦的礦井提升機都采用繞線式電機轉子串電阻的方法進行分段有級調速（如圖一所示）。其基本原理是：當繞線式異步電動機轉子串入附加電阻后，電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行，串入的電阻越大，電動機的轉速越低。此方法的優點是設備簡單，控制方便；但其缺點也非常明顯，主要有以下幾點：

調速時，大量的轉差電能消耗在回路電阻上，造成大量能源浪費；
調速性能差，控制系統復雜，故障率高；
啟動過程中對電網的沖擊大，同時也會產生較大的機械沖擊，造成設備使用壽命降低；
安全可靠性差，且維護工作量大、維護成本高。

圖一

二、現場概況
莒山煤礦隸屬于山西蘭花煤炭實業集團有限公司，是一家集煤炭產、選、洗、運、深加工于一體的現代化國有股份制企業，年實際生產能力達90萬噸。

圖二：莒山煤礦正門
此次改造現場為莒山煤礦的主提升機系統，提升機采用雙滾筒纏繞式結構，提升機型號為2JK-2.5，提升最大運行速度3.8m/s。電機功率250kW，定子電壓6000V，額定轉速590轉/分。

三、HD92四象限高壓變頻方案
一般煤礦原有的調速方式為轉子串電阻調速，由于串電阻調速的種種缺點，客戶最終決定對原有系統進行變頻改造，經過反復斟酌，客戶最終選定了匯川HD92四象限高壓變頻器作為此次改造的變頻器。經過對現場實際情況了解和客戶的多次溝通，最終確認方案如下：在保留原有串電阻調試的方式下，新加裝一套電控系統，將原有電控系統保留，確保在變頻器故障時，能夠在很短的時間內切換為原有系統運行，保證正常生產。原理圖大致如下：

圖三：轉子串電阻和變頻調速雙系統示意圖

根據電機功率大小，此現場配備的變頻器型號為HD92-J100/400-RN，變頻器額定電流40A。變頻器采用遠程控制方式，通過提升系統操作臺發送控制指令到變頻器。變頻器啟動頻率0.5Hz，下限頻率2Hz，操作臺發送4 ~20mA的模擬量信號，通過正反轉指令控制變頻器在-50Hz~+50Hz運行，下圖為礦井提升機操作臺和提升機運行速度圖：

圖四：礦井提升機操作臺和實際運行速度曲線

四、匯川技術HD92四象限高壓變頻器改造優勢
1、無啟動沖擊電流：采用世界領先的矢量控制方式，無需進行轉矩提升，在啟動過程中無沖擊電流，啟動電流小于電機的額定電流；

圖五：提升機啟動時電機定子側電流波形圖

2、無編碼器開環矢量控制：提升機現場使用的電機多為繞線式電機，在電機軸上加裝編碼器非常麻煩，如果安裝位置稍有不對，編碼器會經常損壞，影響整個系統的運行。匯川技術針對此種情況，特別提出了無編碼器開環矢量控制方式，無需安裝編碼器，控制效果幾乎與安裝編碼器的效果一致，得到了客戶的好評；

圖六：繞線式電機轉子側短接示意圖

3、低頻大扭矩：匯川技術HD92四象限高壓變頻器采用世界領先的矢量控制技術，具有優越的低頻特性，閉環矢量200%額定轉矩/0Hz；開環矢量180%額定轉矩/0.5Hz。
優秀的低頻特性，確保了提升機在低速運行時，依然能夠有足夠的轉矩進行提升，不會出現溜鉤、怠速報閘等現象；
4、長壽命設計：匯川技術HD92四象限高壓變頻器全部采用薄膜電容設計，使用壽命為普通電解電容的10倍以上，確保了變頻器的使用壽命；
5、無諧波：匯川技術HD92四象限高壓變頻器采用AFE可控整流方式，可自動調節功率因數，使得功率因數接近于1，并且在每個功率單元輸入側均配有PFC專用能量回饋電抗器，對回饋到電網的電流進行濾波，確保對網側沒有任何諧波污染；

圖七：HD92四象限高壓變頻器高壓進線端電流波形圖

6、節能：原有的轉子串電阻調速方式，在啟動和停止過程中，有大量的轉差功率消耗在電阻上，造成電能的極大浪費，采用變頻器調速后，可將這部分能量全部省掉。通過現場抄表比較，相比之前的串電阻調速方式，變頻改造后可節能電能大約15%。

五、現場運行圖片