级联型高压变频器在煤矿提升机上的应用研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 28 日 作者简介：陈强（1983），男，汉族，河北成安人，专科，研究方向为变频器在煤矿上的应用。-64-级联型高压变频器在煤矿提升机上的应用研究 陈 强 中信重工开诚智能装备有限公司，河北 唐山 063000 摘要：摘要：为了提高级联型高压变频器的效率，文章对级联型高压变频器在煤矿提升机上的应用、级联型高压变频器的技术特点、煤矿提升机中常见的应用系统进行了分析。并指出了做好矿井提升机的使用时需要确保安全性以及可靠性，来确保矿井的安全生产。在矿井提升机使用中，电控系统制约着生产过程中的安全，为此，做好电控系统的安全设计成为工程技术人员研究过程中其重要的课题。关键词：关键词：级联型高压变频器；煤矿提升机；研究应用 中图分类号：中图分类号：TD63 为了有效地节约电能，提高煤矿提升机调速的性能，需要选择级联型高压变频器。通过分析该提升机的实际工况，确定变频器的运行方式，结合变频器的使用原理以及技术特点等，确保在日常工作过程中其工作质量得以提升，减少出现问题的几率，满足提升机在使用时的安全性以及基础使用要点。1 煤矿提升机中常见的应用系统 当前在对系统改造前选择串联电阻调速系统，能够有效地提升其在改造时的整体改造效果，能够更好地满足目前煤矿提升机在使用时的整体质量。目前我国大部分矿井提升机在使用过程中所采用的均是电机转子回路串电阻调这一系统，该系统通过逐步切断串入的电阻，来达到分级调速这一目的，该调速系统的耗电量相对较大，控制效果较差，会给电网本身带来非常大的谐波影响。而变频调速的调速特性相对较好，选择级联型高压变频器在进行变频调速时，其变频调速技术更好，能够有效地增强提升机电控系统的使用效果，满足该系统在使用的使用安全性。煤矿提升机电控系统有三种不同的调速系统，分别是直流控制系统、转子变频控制系统以及级联型高压变频控制系统三种，这几种不同的控制系统均有其优缺点1。1.1 直流控制系统 直流调速在使用时，其优点在于：第一，调速性能相对较好，并且调速范围更为广泛，易平滑地进行调节。第二，在启动过程中其制动转矩相对较大，能够承担的过载能力强，同时直流控制也可以在短时间内承受相对频繁的冲击负荷。第三，在整个系统调控过程中，系统本身更加安全且可靠，其静态性能以及性能指标要求更高；但是直流控制系统也具有一定的缺点，第一，由于使用过程中电流经过晶闸管整流设备，导致直流调速系统在使用时的谐波污染相对较为严重，并且功率因数低。第二，目前大部分煤矿提升机使用的均属于交流异步电动机，如果采用直流调速系统，则需要将现有的电机进行更换，将其转换为直流电机，增加了成本。对于企业而言，应用该系统所消耗的经济成本过高，导致部分企业不愿意使用该系统。1.2 转子变频系统 转子变频在使用时，优点在于：第一，更加适应系统的升级改造，并且在进行系统改造过程中，其更加的方便。第二，随时根据技术的进步而进行系统的改变，接线简单，并且硬件结构也更为简单。第三，在整体使用过程中去故障点相对较少，无论是在启动或者是在加速过程中，所面对的冲击电流都相对较少，减轻了来自电网本身的冲击，出现能量回馈、节省电流；在使用转子变频时，存在的缺点是：第一，转子变频在进行调速时，电动机最大的电磁转矩会不断的下降，整体的功率因数相对较低，电流谐波相对较大。第二，在进行调速的过程中，调速的范围也相对较窄，角速的精度则相对较低。在低时速的情况下，转子变频的特性则相对较差，这也使得在旧系统改造时，如果处于低时速的情况下，该系统的改造难度增加，改造质量无法得到提升，导致改造本身也具有极强的局限性。1.3 级联型高压变频系统 中国科技期刊数据库 工业 A-65-级联型高压变频器在使用时，使用优点是：第一，升级速度较快，改造相对简单，并且电控系统相对简单。在进行安装调试过程中其更加的方便，同时功率因数更高，电流谐波更小，无论是调速效率或者调速范围都更高、更广，调速精度也相对较好。第二，设备使用寿命相对较长，在启动和加速过程中所面对的冲击电流相对较小，能够有效的减少减速失控这一情况，节能效果显著。使用级联型高压变频器的缺点是：变频器的技术本身相对较为复杂，对工作人员的专业素养较高，这也使得在进行后续的维护检修时，相对较为困难2。2 级联型高压变频器的技术特点 2.1 多重化整流技术 多数情况下，级联型高压变频器的整流部分所选择的都是不可控的二极管，会导致在进行能量传输时，存在能量传输不可逆这一现象。而当电机本身处再发生电的状况下，其所回馈的能量会直接传输到直流母线的电路上，使得直流母线电容本身呈升电压，电容电压在使用过程中存在极为明显的不稳定性现象，过高的泵升电压的出现，有可能会导致开关器件出现损坏，会威胁到变频器的正常工作。为了改变这一现状，要选择更为成熟的三相 pwm 整流技术，使用可控的开关器件本身组成单个功率单元的整流电路，实现能量传输过程中的双向传输质量，形成更有效的、使用效果更佳的闭环电流，避免形成泵升电压而导致的开关器件的损坏。2.2 功率单元旁路技术 级联型高压变频器的技术特点还包括了其功率单元旁路技术。六单元级联型高压变频器一共具有 18 组功率单元，一共有 72 个 IGBT，由于每一个单元与单元之间其均处于一种串联结构，一旦某一个单元出现故障，则会导致所有的单元均存在相缺项这一情况，而为了防止由于串联结构而导致的单元故障出现，需要采用接触器使用功率单元旁路这一方法，可以在第一时间内将故障功率单元从系统中快速进行切除。在功率单元旁路后，变频器本身的输出能力则会处于略微降低的状态，但是在长时间使用过程中，其仍然处于能够短时运行这一状态，可以有效地避免运行过程中出现严重后果。2.3 中性点偏移技术 在某个功率单元被旁路切除后，由于该项的电压会出现下降这一情况，大多数情况下其会下降为 1/6，进而导致三相不平衡，同时也会导致级联型变压器使用时最大的输出功率不断下降，这时，变频器则需要降压使用。为了使得故障功率单元接触后，其变频器在当下仍可以正常且稳定地运行和输出，则需要采用中性点偏移这一技术。其中变频器的逆变输出中，最为常见的为三相不接地系统，而中性点则处在一种相对悬浮的状态下。在进行中性点偏移技术的分析时能发现，当前级联型高压变频器在进行设计时需要不断提高变频器的电压余量，而当某个功率单元被切除后则可以控制其中所涉及的相位角，将使得中性点重新偏移，同样可以处于一种新的平衡状态，在这一阶段变频器仍旧可以正常的使用，技术效果也可以满足当下级联型高压变频器在使用时的使用需求3。3 级联型高压变频器的原理 在分析级联型高压变频器使用时，首先要了解其电气原理，为了提高变频器在输出时的输出电压，在大多数情况下，其选择的方式都是利用多电平的逆变器拓扑结构，大多数情况下都是将电平逆变器形成二极管嵌位式、飞跨电容式或者是级联型。本文在分析时则选择分析级联型高压变频器在使用时的整体使用效果以及其基本原理。级联型高压变频器在使用过程中将若干低压功率的单元输出串联，以此来满足在后续使用过程中高压输出的实际要求。相比于二极管为以及飞跨电容式相比较而言，虽然级联型高压变频器其避免出现了功率单元之间的均压问题，但是由于其功率单元的数量相对较多，导致逆变器的整体结构在当下出现故障的概率也更大，而这种变频器的保护以及在动作在当前也需要高度切割，也需要高度注意这一点4。4 频调速控制系统 在煤矿日常工作过程中，利用立井提升机变频调速系统能够充分的运用双套 PLC 完全控制理念，控制两套完全独立的 PLC 系统，能够真正意义上的实现双线制，即一套 PLC 工作，而另外一套 PLC 系统能够实现实时的监控，确保双套 PLC 系统在运行过程中其运中国科技期刊数据库 工业 A-66-行质量得以提升，即便是在发生故障时，利用双套 PLC系统也能够实现平衡切换，可以有效的避免出现故障后消耗大量的时间进行等待。一旦出现故障，利用双套系统能够第一时间内对故障进行解决，同时在进行故障提升时，要求所有工作人员在 PLC 上按下启动操作按钮，而变频器在收到启动指令后，需要在第一时间内按下操作按钮，整个变频器在进行运行时，用编码器来检测提升机在运行时的整体转速，将相关内容快速地传输到信号系统中，PLC 系统在使用时其主要是根据机电主机在实际运转时的运转速度进而决定的。级联型变频器在进行使用过程中，随着输出电压频率的增加，逐步进入到一个加速阶段，当 PLC 所接收到的速度信号与最初预设的速度信号处于相一致的状态下，那么变频器在这一阶段并不会大量、大幅度的进行频率的上升和输出，而是会处在一种逐步、匀速运行的状态下。当形成检测编码器逐步向信号系统发出到达指令或者是发出卸载曲轨这一信号时，PLC 系统则会快速地向高压变频器第一时间内发出减速指令，级联型高压变频器在这一阶段变频器的输出频率能够逐步下降，与此同时，电机的转速也会在这一阶段呈现下降的状态。罐笼在使用过程中其同样会出现减速和匀速运行这一状态，无论是在爬行阶段和刹车阶段应用过程中能发现其整个运行原理是与上述的匀速或减速阶段的运行原理基本处于一致状态，这种运行原理能够满足当前立煤矿提升机在使用时的使用需求。选择联机型高压变频器，PLC 系统除了能够快速的接收所涉及的编码器信号之外，该系统还接入到了提升润滑系统的信号机，在实际使用过程中，润滑系统和液压系统一旦出现故障后能够快速地切断变频器本身输出的电压，以此来确保所有在煤矿系统内工作人员及自身的人身安全得以保障，整个设备的安全性也能够得到提升。PLC 系统在实际运行时会通过 MPL 总线逐步向远程上位机去发送变频器的运行信息，这种变频器的运行信息也能够使得监控人员可以第一时间内掌握地址，可以第一时间内在地面掌握提升机在运行时的整体运行状况。不仅如此，上位机还可以通过网络在第一时间内将所有的数据进行上传，将数据上传到云端，能够帮助维护管理人员分析其中存在的故障，将其作为远程故障诊断中最重要的数据来源5。5 运行与维护 级联型高压变频器对于运行环境的要求相对较为严苛，而矿井提升机对于电源的要求同样也相对较高，一旦发生电源故障其带来的负面影响不仅是生产受损，甚至会导致工作人员被困。级联型高压变频器要求其所在的地方环境温度不能够超过 30，而整体的湿度则需要保持在 30%50%期间。为此，在机房中需要安装通风装置，空调装置以及除湿装置，与此同时还需要定期对机房内的 ups 电源装置进行检查，如果发现了 ups 模块出现故障，需要在第一时间内对 ups 模块进行更换。一般情况下如果 ups 模块在长时间使用过程中并没有出现故障，那么最少需要在 4a 周期内更换一次，而功率单元中电容器则是最经常出现故障的原因的元件之一，常见的现象包括了漏液、鼓肚和接头线发热等等。在日常的检查过程中也需要高度注意观察电容器外表的清洁性，其在长时间使用过程中无明显变形这一情况，正常使用电容器，会使得电容器的容量逐步降低。为此，当下需要定期检测电容本身的容量，而如果电容器在使用时出现容量不足这一情况，则需要在第一时间内对电容器进行及时的更换和处理。在大多数情况下，变频器厂家在进行容量设计时要求其衰减不应大于 10%。6 结语 当前选择级联型高压变频器在煤矿中进行使用，能够满足煤矿使用的实际需求，同时也能够确保煤矿企业在日常工作过程中实现节省电能，保证在运输时运输效率得以提升，相比于改造前所选择的调速系统而言，选择联机型高压变频器进行调速，既可以提高其经济效益，同时也能够节约电能，所带来的社会效益同样十分可观。参考文献 1呼慧斌.级联型高压变频器在煤矿提升机上的应用J.能源技术与管理,2023(03):116-118.2程红,于志超,王朋辉,徐正,王聪.新一代高频隔离级联式中高压变频器的协调方式研究J.煤炭工中国科技期刊数据库 工业 A-67-程,2020(07):147-151.3彭万艺.H 桥级联型高压变频器控制系统的设计研究J.机械管理开发,2019(05):218-219.4蒋卫良,杨生华,芮丰.高压变频器在煤矿带式输送机上的应用J.煤炭工程,2018(11):67-70.5杨世科,赵安伟,李奕诚.三电平H桥级联高压变频器在煤矿通风机上的应用J.煤炭科技,2017(02):152-154.