現(xiàn)代礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

1、現(xiàn)代礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)礦山大功率提升機(jī)電力傳動(dòng)礦井提升機(jī)是礦山企業(yè)的大型機(jī)電設(shè)備之一,它在生產(chǎn)過(guò)程中擔(dān)負(fù)著礦物的提升、人員的上下、材料和設(shè)備的運(yùn)送等任務(wù)，起著非常關(guān)鍵的作用，同時(shí)也是礦山電力傳動(dòng)最復(fù)雜的系統(tǒng)。我國(guó)現(xiàn)有的礦井提升機(jī)按主提升電機(jī)分類主要有：直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)；繞線電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)；鼠籠電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)低速同步電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng) 礦井提升機(jī)電力傳動(dòng)特點(diǎn)礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)是礦山電力傳動(dòng)設(shè)備的典型代表功率大，從幾百千萬(wàn)到5MW要求四象限運(yùn)行，滿足上升下降、加速減速的要求高可靠性運(yùn)行速度高達(dá)15m/s提升十幾噸到幾十噸重物，行程內(nèi)必須準(zhǔn)確加、減速和精確停車(1cm/1km)當(dāng)故障時(shí)，必須可靠停車，

2、保障平安。國(guó)內(nèi)礦山電力傳動(dòng)裝備現(xiàn)狀第一代F-D驅(qū)動(dòng)模擬調(diào)速繼電器控制機(jī)械式深度指示第二代SCR-D驅(qū)動(dòng)模擬調(diào)速PLC控制機(jī)械式深度示SCR-D驅(qū)動(dòng)數(shù)字控制PLC控制數(shù)字深度控制第三代TKD驅(qū)動(dòng)變阻調(diào)速繼電器控制機(jī)械式深度指示TKD驅(qū)動(dòng)變阻調(diào)速PLC控制機(jī)械式度指示變頻驅(qū)動(dòng)數(shù)字調(diào)速PLC控制數(shù)字深度控制直流交流國(guó)內(nèi)主流國(guó)際先進(jìn)占總數(shù)的9.7% 電控效率80% 占總數(shù)的90% 電控效率97% 電機(jī)特性比照低速直流電機(jī)交流同步電機(jī)效率85-87%96-97%功率3000Kw不受限電機(jī)造價(jià)10.75轉(zhuǎn)動(dòng)慣量10.75維護(hù)量換向器、電刷無(wú)環(huán)境適應(yīng)性差好國(guó)內(nèi)礦山電力傳動(dòng)裝備現(xiàn)狀MYVdiaVdiaVLVd

3、VdVLtta = 150oa = 120oa = 90oa = 60oa = 30oa = 0o直流拖動(dòng)系統(tǒng)國(guó)際上正逐步淘汰直流方案，歐美已經(jīng)停止大功率直流電機(jī)生產(chǎn)國(guó)內(nèi)礦山電力傳動(dòng)裝備現(xiàn)狀目前,我國(guó)礦山同步電機(jī)交流傳動(dòng)系統(tǒng)采用交交變頻交流提升運(yùn)行方式，可在一定程度上滿足提升系統(tǒng)的運(yùn)行要求，但其存在的突出問(wèn)題卻不容無(wú)視。 缺點(diǎn)： 1、輸出電壓諧波分量大，導(dǎo)致變頻器的輸出能力降低、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加大，損耗增加，噪聲增大； 2、在深控時(shí)功率因數(shù)極低，對(duì)電網(wǎng)注入大量諧波，需要附加濾波器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償 諧波嚴(yán)重，治理困難，影響礦井電網(wǎng)質(zhì)量，對(duì)礦山其它用電設(shè)備造成不良影響。該方案已經(jīng)被西門子和ABB放棄。國(guó)內(nèi)礦

4、山電力傳動(dòng)裝備現(xiàn)狀可控硅系統(tǒng)諧波29-40%功率因數(shù)0.02-0.7無(wú)功沖擊大逆變失敗可能國(guó)際提升機(jī)電力傳動(dòng)的開(kāi)展趨勢(shì) 大功率化 雙PWM交-直-交變頻傳動(dòng)將成為高性能調(diào)速系統(tǒng)主流 網(wǎng)絡(luò)化、智能化故障診斷等技術(shù)成為重要的輔助手段舊系統(tǒng)直流傳動(dòng)F-D直流：效率80%，停車精度20cm繞線電機(jī)TKD：效率98%，停車精度1cmSCR交交變頻：效率99%，停車精度1cm新系統(tǒng)雙三電平變頻調(diào)速：效率99%，停車精度1cm，低諧波、單位功率因數(shù)： 雙饋轉(zhuǎn)子變頻 同步電機(jī)變頻 鼠籠電機(jī)變頻交流傳動(dòng)國(guó)際第一代國(guó)際第三代追趕超越全數(shù)字控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化故障診斷技術(shù)大功率高性能變頻控制技術(shù)我國(guó)礦山電力傳動(dòng)的開(kāi)展思路

5、礦山電力傳動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)大功率雙三電平功率主回路設(shè)計(jì)通用型高性能全數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)高效三電平有源前端整流技術(shù)大功率電機(jī)高性能控制調(diào)速理論應(yīng)用高壓IGBTs的前沿技術(shù)HV-IGBTIGBT約 5A約 5A約 6000A/sIloadIDG 4A約 800 A約 1000A/s門電流t (s)I (A)IGCT功率半導(dǎo)體比較高壓IGBTGTOHard-switching GTO(IGCT)門極觸發(fā)功率低門極觸發(fā)簡(jiǎn)單,功率元件少 電流限制無(wú)任何附加電路的短路保護(hù)變頻器門極觸發(fā)功率高門極觸發(fā)復(fù)雜,功率元件多 無(wú)電流限制需附加電路的短路保護(hù)變頻器(需輸出濾波器)勿需緩沖電路需附加緩沖電路需附加di/dt 緩

6、沖電路門極觸發(fā)功率高門極觸發(fā)復(fù)雜,功率元件多 無(wú)電流限制需附加電路的短路保護(hù)變頻器(需輸出濾波器)Back-to-Back雙三電平同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)示意圖1Back-to-Back雙三電平系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖四、交流提升機(jī)控制系統(tǒng)有源前端優(yōu)點(diǎn)一覽+-直流環(huán)節(jié)帶有源前端 (AFE) 的 網(wǎng)側(cè)整流器0 再生回饋 (4 象限運(yùn)行) 可以補(bǔ)償網(wǎng)側(cè)供電電壓波動(dòng) 傳動(dòng)動(dòng)態(tài)性能高 動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償3相. 2.3 - 36 kV AC50/60 Hz有源前端 - 無(wú)功功率補(bǔ)償 利用逆變器的無(wú)功功率補(bǔ)償功能可使無(wú)功功率得到控制!中壓 有功功率 M再生制動(dòng) 電機(jī)無(wú)功功率容性無(wú)功功率 感性無(wú)功功率電網(wǎng) 3相. 2.3 -

7、36 kV AC / 50/60 Hz有源前端 - 定速傳動(dòng)的無(wú)功功率補(bǔ)償高壓 MM動(dòng)力電網(wǎng)有功功率有功功率感性無(wú)功功率容性無(wú)功功率補(bǔ)償可不加無(wú)功功率補(bǔ)償對(duì)聯(lián)接在電源線上優(yōu)化過(guò)的負(fù)載非常適合，因?yàn)槠渌嘭?fù)載的無(wú)功功率要求得到了補(bǔ)償。三電平PWM整流器電壓定向控制策略三電平有源前端由實(shí)驗(yàn)波形可知，無(wú)論在能量饋入還是饋出的情況下，三電平整流器都能使直流母線電壓保持穩(wěn)定，網(wǎng)側(cè)電流正弦，且保證在電網(wǎng)接入點(diǎn)為單位功率因數(shù)。一大功率雙三電平功率主回路設(shè)計(jì)大功率雙三電平功率主回路設(shè)計(jì)MW級(jí)功率無(wú)感母線的設(shè)計(jì)理論與技術(shù)功率單元熱控制技術(shù)功率變換單元電磁兼容設(shè)計(jì)四、交流提升機(jī)控制系統(tǒng)3交-直-交同步提升機(jī)變頻

8、控制同步電機(jī)雙三電平定子變頻調(diào)速產(chǎn)品GTM-100/2501MW/2.5MW、 GTM/500/10005MW/10MW由定子側(cè)控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子側(cè)控制系統(tǒng)組成，其中，轉(zhuǎn)子側(cè)：勵(lì)磁柜；定子側(cè)包括：高壓柜、變壓器、電抗器、整流柜、逆變柜、調(diào)節(jié)柜、PLC柜、上位機(jī)、操作臺(tái)、低壓配電柜等組成同步交流提升機(jī)三電平變頻矢量控制策略四、交流提升機(jī)控制系統(tǒng)4交-直-交鼠籠式提升機(jī)變頻控制鼠籠電機(jī)雙三電平定子變頻調(diào)速產(chǎn)品：GYM-50/100/200NPC三電平1MW/2MW、GYM-50/100/200HH橋三電平0.5MW/1MW/2MW； 由高壓柜、變壓器、電抗器、整流柜、逆變柜、調(diào)節(jié)柜、PLC柜、上位機(jī)、

9、操作臺(tái)、低壓配電柜等組成。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模型四、交流提升機(jī)控制系統(tǒng)5交-直-交雙饋式提升機(jī)變頻控制繞線電機(jī)雙三電平轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速產(chǎn)品：GZM-100/200NPC三電平1MW/2MW、GZM-100/200HH橋三電平1MW/2MW由定子側(cè)控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子側(cè)控制系統(tǒng)組成，其中，定子側(cè)包括：高壓柜和換向柜；轉(zhuǎn)子側(cè)由高壓柜、變壓器、電抗器、整流柜、逆變柜、調(diào)節(jié)柜、PLC柜、上位機(jī)、操作臺(tái)、低壓配電柜等組成。雙饋電機(jī)全范圍調(diào)速理論繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻TKD方式的最正確改造方案國(guó)內(nèi)煤礦高性能調(diào)速領(lǐng)域80%采用TKD方式為能耗制動(dòng)方式，系統(tǒng)效率低于60%實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)最大限度地降低了系統(tǒng)能耗、擴(kuò)展了調(diào)速范圍、提高了調(diào)

10、速精度、消除了機(jī)械沖擊，實(shí)現(xiàn)了高壓繞線電機(jī)高性能控制，從根本上解決了原有TKD系統(tǒng)存在的問(wèn)題。改造后節(jié)能超過(guò)20%，整體提效超過(guò)30%，應(yīng)用前景極其廣闊。 雙饋調(diào)速方式原理圖 TKD調(diào)速系統(tǒng)巨大的電阻室 四、交流提升機(jī)控制系統(tǒng)5交-直-交雙饋式提升機(jī)變頻控制礦用高性能電力傳動(dòng)裝備系列：雙饋式拖動(dòng)兆瓦級(jí)雙三電平變頻器變頻系統(tǒng)效率99%；功率等級(jí)到達(dá)5MW；雙饋式調(diào)速系統(tǒng)可到達(dá)6kV-10kV；定子變頻調(diào)速電壓380-3300V；網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可到達(dá)0.99以上；網(wǎng)側(cè)無(wú)需諧波治理；實(shí)現(xiàn)了礦山大功率電力傳動(dòng)的跨越式開(kāi)展。同步機(jī)拖動(dòng)鼠籠機(jī)拖動(dòng)上位機(jī)及操作臺(tái)Internet操作保護(hù)PLC行程PLC閘控PL

11、C液壓站卸載站PLC裝載站PLC高壓系統(tǒng)整流變壓器提升滾筒安全回路卸載站安全回路裝載站安全回路（繼電器組）全數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)UPS電源箕斗變頻提升系統(tǒng)雙饋電機(jī)定子雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子背靠背雙三電平功率系統(tǒng)兆瓦級(jí)雙三電平礦井提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖三. 礦山電力傳動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化控制與故障診斷技術(shù)以電力傳動(dòng)系統(tǒng)全數(shù)字控制為根底，以工業(yè)以太網(wǎng)為紐帶，結(jié)合數(shù)據(jù)融合和控制信息容錯(cuò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山提升機(jī)、皮帶輸送機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵主要電力傳動(dòng)裝備的信息集成與控制系統(tǒng)。水泵傳動(dòng)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)提升機(jī)傳動(dòng)皮帶傳動(dòng)-實(shí)現(xiàn)了礦山大型電力傳動(dòng)裝備由監(jiān)視到控制的跨越三. 礦山電力傳動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化控制與故障診斷技術(shù)基于CSCW技術(shù)，提出了多Agent進(jìn)行

12、遠(yuǎn)程故障診斷的方法，建立了診斷知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)，實(shí)現(xiàn)了Agent之間通信和協(xié)作診斷推理；實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化礦井提升機(jī)故障診斷系統(tǒng)和運(yùn)行狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，提供故障預(yù)警和故障在線診斷功能，大幅度提升了礦山電力傳動(dòng)系統(tǒng)的平安性。礦井交流提升機(jī)雙繞組同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路實(shí)施效果 本工程從2021年3月初開(kāi)始運(yùn)行至今，該系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，并且與老系統(tǒng)比較有以下優(yōu)點(diǎn)：1、一次提升循環(huán)時(shí)間縮短，由原來(lái)的108s縮短為96s，每勾節(jié)省時(shí)間約12s；每年可多提原煤78萬(wàn)噸。2、由于調(diào)速方式改為交直交變頻調(diào)速，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小，電機(jī)溫度比老系統(tǒng)使用時(shí)有所降低；實(shí)施效果3、新系統(tǒng)在電網(wǎng)接入點(diǎn)電流正弦，能量方便地實(shí)現(xiàn)了雙向

13、流動(dòng)，系統(tǒng)在整個(gè)工況中都運(yùn)行在單位功率因數(shù)下，完全消除了無(wú)功沖擊； 電壓諧波(%) 電流諧波(%) 功率因數(shù) A相 0.99 3.15 0.9948 B相 1.17 3.46 C相 0.91 3.46實(shí)施效果4、新系統(tǒng)在滿載、全速工況下，由國(guó)家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行檢測(cè)，下述為檢測(cè)報(bào)告結(jié)果；實(shí)施效果5、運(yùn)轉(zhuǎn)平安可靠，保護(hù)齊全、動(dòng)作靈敏，故障判斷準(zhǔn)確，故障率低等特點(diǎn)。 實(shí)施效果(性能比照)有功功率無(wú)功功率老系統(tǒng)新系統(tǒng)實(shí)施效果(性能比照)定子電流勵(lì)磁電流老系統(tǒng)新系統(tǒng)以邯鄲云駕嶺礦為例：本工程從2007年9月初開(kāi)始運(yùn)行至今，該系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，并且與老系統(tǒng)比較有以下優(yōu)點(diǎn)：1、一次提升循環(huán)時(shí)間縮短，由原來(lái)的100s縮短為75s，每勾節(jié)省時(shí)間約25s；2、由于調(diào)速方式改為轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)速度連續(xù)可調(diào)，電機(jī)溫度比老系統(tǒng)使用時(shí)有所降低且對(duì)系統(tǒng)機(jī)械沖擊??；四、交流提升機(jī)控制系統(tǒng)5交-直-交雙饋式提升機(jī)變頻控制3、新系統(tǒng)在電網(wǎng)接入點(diǎn)電流正弦，能量方便地實(shí)現(xiàn)了雙向流動(dòng)，系統(tǒng)在整個(gè)工況中都運(yùn)行在單位功率因數(shù)下，完全消除了無(wú)功沖擊；四、交流提升機(jī)控制系統(tǒng)5交-直-交雙饋式提升機(jī)變頻控制4、系統(tǒng)具有明顯的節(jié)電效果，系統(tǒng)在運(yùn)行72小時(shí)后，提煤2259