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多電平高壓變頻器在雙機拖動礦井提升機上的幾種運行模式探討

發布日期:2020-02-05   來源:《變頻器世界》19-10期   作者:邱戰峰,徐長海   瀏覽次數:1468
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【摘   要】:本文介紹了多電平高壓變頻器的特點和雙機拖動礦井提升機的常見結構,探討了雙電機拖動運行的均轉矩模式、單臺變頻器恒壓頻比同步拖動雙電動機模式和單變頻器全載半速運行模式的應用。

 關鍵詞:礦井提升機;多電平變頻器;均轉矩;恒壓頻比;全載半速                                                                                                                        

  礦井提升機是礦山安全生產的關鍵設備之一,其安全、可靠、高效和平穩運行,集中體現在其電氣控制系統中。大功率的礦井提升機可以采用雙機拖動的方式,達到擴容的目的,同時也提高了系統的可靠性,當一臺出現故障時可以半載運行。

本文探討多電平型高壓變頻器在不同工況的雙機拖動礦井提升機上的幾種運行模式。

一、多電平高壓變頻器的特點

多電平高壓變頻器為高--高電壓源型模式,采用??榛杓?,互換性好、維修簡單,噪音低,諧波含量小,不會引起電機的轉矩脈動,對電機沒有特殊要求。變頻器可四象限運行,當電機處于拖動狀態時,能量從電網經整流回路、逆變回路流向電機,變頻器工作在第一、第三象限。當電機處于發電狀態時,電機產生的能量通過逆變側的二極管回饋到母線電壓,當直流母線電壓超過一定的值,將直流逆變成交流,通過控制將能量回饋到電網,變頻器工作在第二、四象限。
                                                        

1.1 高壓變頻調速系統結構
1.1、功率單元電路                                                                                                                                                                          

其主電路結構為圖1.2,主回路為基本的交 - 直 - 交單相逆變電路,整流側為3支IGBT實現雙向整流。逆變側通過對 IGBT 逆變橋進行正弦 PWM 控制實現逆變。假如某一單元發生故障,該單元的輸出端能自動通過軟件控制IGBT旁路而整機可以降額工作,但不影響運行,每個功率單元完全一樣,可以互換,這不但調試、維修方便,而且備份也十分經濟。

                                                 

1.2 功率單元電路結構
1
.2、輸入輸出側結構                                                                                                                                                                       

     多電平高壓變頻器輸入側由移相變壓器給每個單元供電,每個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法,目的是實現多重化,降低輸入電流的諧波成分。

    輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電,通過對每個單元的PWM波形進行重組,可得到階梯PWM波形。這種波形正弦度好,dv/dt小,可減少對電纜和電機的絕緣損壞,無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長,電機不需要降額使用,也可直接用于舊設備的改造;同時,電機的諧波損耗大大減少,消除了由此引起的機械振動。

    系統采用三次諧波補償技術提高了電源電壓利用率,利用了調制信號預畸變技術,使電壓利用率近似于1。同時系統采用先進的載波移相技術,它的特點是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯后的總輸出波形失真特別小。

1.3、多電平高壓變頻器的突出特點

1.3.1、電源輸入勵磁涌流抑制技術:該技術使得系統在每次上高壓電時的沖擊電流小,對電網的沖擊也很小。如果沒有:系統每次受電時,會產生8~12倍的勵磁涌流,對電網造成沖擊、引起較大的電壓波動。

1.3.2、系統斷電自動?;ぜ際酰喝繁H魏吻榭魷孿低扯寄馨踩誦?。如果沒有:提升機重載下放過程中,遇到系統停電時,會造成單元損壞甚至整個系統報廢。

1.3.3、功率單元自動旁路技術: 在提升機運行過程中,意外出現一個或幾個功率單元故障時,系統可以自動將故障單元旁路,系統進入星點偏移控制,保持輸出的線電壓平衡,同時保持最大輸出轉矩,完成本次提升任務。如果沒有:只要有一個功率單元出現故障就立即停車或跳閘,造成人員或貨物懸停在井筒當中。

1.3.4、獨立的控制電源技術: 獨立的控制電源技術,系統在不上高壓電的情況下可以檢測系統各個關鍵點的波形和調試、培訓等,方便用戶自行檢修和維護。如果沒有:必須加上高壓電后才能測試系統的輸出情況,調試、培訓都必須上高壓電,用戶自行檢修維護困難,同時也帶來用電安全問題。

 

二、雙電動機拖動結構

2.1和圖2.2給出了兩種常見的雙電機拖動結構。

                               

2.1:雙電機連接示意圖

    2.1示雙電機拖動方式是將兩臺電動機和兩臺減速機放置在礦井提升機主軸裝置的兩側,兩臺電動機通過兩臺不同的減速機裝置共同拖動同一臺礦井提升機,電機與減速機直接通過聯軸器剛性連接,減速機與礦井提升機通過聯軸器剛性連接,兩臺減速機運行時其輸出端具有相同的轉速,這個轉速通過礦井提升機主軸與兩臺減速機剛性連接后保持自同步。為了方便下面的分析和論證,這里我們也要求兩臺電機和兩臺減速機采用完全相同的型號和參數。

 

 

2.2:雙電機連接示意圖

    2.2示雙電機拖動方式是將兩臺電動機和一臺減速機放置在礦井提升機主軸裝置的同一側,兩臺電動機通過同一臺減速機裝置共同拖動同一臺礦井提升機,電機與減速機直接通過聯軸器剛性連接,減速機與礦井提升機通過聯軸器剛性連接,減速機兩個輸入端與輸出端采用完全相同速比,這樣兩臺電動機的轉速通過減速機剛性連接后保持自同步。為了方便下面的分析和論證,這里我們也要求兩臺電機和兩臺減速機采用完全相同的型號和參數。

兩臺傳動電動機無論是通過同一減速器還是通過提升機兩端的兩臺減速器相連,都屬于 “剛性”連接,它們的轉速始終保持著同步,電動機M1和M2無論運行到任何狀態都具有相同的轉速,由于驅動這兩臺電動機的變頻器驅動裝置的運行特性可能不盡相同,從而導致了這兩臺電動機實際輸出的功率和轉矩可能不盡相同。

下面分析不同變頻器不同工作模式下的雙電機同步拖動工況。

三、雙電動機均轉矩同步拖動模式

如圖2.2示兩臺電動機M1、M2無論怎么運轉都保持著相同的轉速,在理想狀態下,只要控制電動機M1和M2的勵磁分量電流Idset、Idact和轉矩分量電流Iqset、Iqact(矢量控制解耦后)同步以及電流閉環的動態響應(PI調節器和調節器輸出)完全一致才能使負荷完全合理分配。

如果由兩臺變頻器一拖一的方式獨自拖動一臺電動機運行,雖然兩臺電機的轉速相同,但他們輸出的轉矩方向不一定相同。電動機M1可能輸出正向力矩T1,工作在電動狀態;電動機M2可能輸出反向力矩T2,工作在發電狀態。T1正向越來越大,T2反向越來越大,而T1+T2=C維持常數,這樣驅動M1的變頻器BP1必然會正向過載,BP2反向過載,反之亦然。

解決這樣負荷均衡的首要問題即首先保證這兩臺變頻器的轉矩給定一致。由高壓變頻器帶編碼器速度閉環矢量控制示意圖(圖3.1)可知,對于“剛性”連接的負載來說均轉矩控制是最常用的解決辦法,即保證兩臺變頻器的轉矩分量電流Iqset、Iqact同步。均轉矩控制結構如圖3.2示: 

                                     

3.1帶編碼器速度閉環矢量控制示意圖

                                               

3.2 雙變頻器均轉矩控制結構圖

兩套變頻裝置均轉矩模式運行時,共用一套速度調節器和一套轉矩給定,這樣就保證了兩套變頻器的轉矩給定的方向和對應電機的額定轉矩百分比相同,即達到同步的要求。

均轉矩的兩臺電動機沒有必要功率完全相同,只要求它們具有相同的額定轉速即可,并且各自匹配各自的變頻器。

在萊州某絞車現場,兩臺雙機拖動的電機經同一減速器剛性連接到同一卷筒,其額定轉速相同,但額定功率不同,額定功率分別為1100kW和1400kW,適配一臺1400kW和一臺1800KW變頻器驅動,兩套變頻器采用合理分配轉矩控制,各種工況使用效果良好。

 

 

四、單臺變頻器同步拖動雙電動機模式

 兩臺電動機采用一臺變頻器驅動,要求這兩臺電動機的額定轉速相同,同時要求變頻器的容量足夠大,能同時驅動這兩臺電動機。此模式的結構圖如4.1示。

    這兩臺電動機必須功率完全相同,同時要具有相同的額定轉速即可。由于這種模式轉矩精度控制不高,由于電機本身參數的差異會存在兩電機轉矩不完全相同,此模式遜于均轉矩同步拖動模式。

                                             

4.1

 

五、單變頻器全載半速模式

這種模式的前提是兩臺電動機的參數完全一致,且定子都由6個抽頭。比如兩臺10/6KV的電機選配兩臺10KV高壓變頻器,正常單獨驅動時采用電機定子繞組采用星型接法。當采用單變頻器驅動模式時可將這兩臺電機的定子按圖5.1示連接。

這種模式可設計高壓切換柜配合使用,主要用于其中某一臺變頻器故障或者檢修其中一臺變頻器時,此種模式下,流過兩臺電機定子的電流相同,兩臺電機定子的電壓各均一半,所以能實現全載半速運行。

                                            

5.1

 

六、結語

    現場使用證明,多電平高壓四象限變頻器雙電動機合理分配轉矩同步拖動模式更適合雙機拖動提升機系統,并且在特殊工況下還能實現單變頻器全載半速運行。隨著礦山提升系統安全性能要求的提高,均轉矩雙機拖動提升機系統會得到廣泛推廣。

 

 

 
 
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