现代矿井提升机电控系统发展趋势.pptx

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1、现代矿井提升机电控系统发展趋势 中国矿业大学August，2012,矿山大功率提升机电力传动,矿井提升机是矿山企业的大型机电设备之一,它在生产过程中担负着矿物的提升、人员的上下、材料和设备的运送等任务，起着非常关键的作用，同时也是矿山电力传动最复杂的系统。,我国现有的矿井提升机按主提升电机分类主要有：直流电机拖动系统；绕线电机拖动系统；鼠笼电机拖动系统低速同步电机拖动系统,矿井提升机电力传动特点,矿井提升机电控系统是矿山电力传动设备的典型代表功率大，从几百千万到5MW要求四象限运行，满足上升下降、加速减速的要求高可靠性运行速度高达15m/s提升十几吨到几十吨重物，行程内必须准确加、减速和精确停

2、车(1cm/1km)当故障时，必须可靠停车，保障安全。,国内矿山电力传动装备现状,电机特性对比,国内矿山电力传动装备现状,直流拖动系统国际上正逐步淘汰直流方案，欧美已经停止大功率直流电机生产,国内矿山电力传动装备现状,目前,我国矿山同步电机交流传动系统采用交交变频交流提升运行方式，可在一定程度上满足提升系统的运行要求，但其存在的突出问题却不容忽视。,缺点： 1、输出电压谐波分量大，导致变频器的输出能力降低、转矩脉动加大，损耗增加，噪声增大； 2、在深控时功率因数极低，对电网注入大量谐波，需要附加滤波器进行无功补偿,谐波严重，治理困难，影响矿井电网质量，对矿山其它用电设备造成不良影响。该方案已经

3、被西门子和ABB放弃。,国内矿山电力传动装备现状,国际提升机电力传动的发展趋势,大功率化 双PWM交-直-交变频传动将成为高性能调速系统主流 网络化、智能化故障诊断等技术成为重要的辅助手段,旧系统,直流传动,F-D直流：效率80%，停车精度20cm,绕线电机TKD：效率60%，无法准确停车,SCR全数字直流：效率98%，停车精度1cm,SCR交交变频：效率99%，停车精度1cm,新系统,双三电平变频调速：效率99%，停车精度1cm，低谐波、单位功率因数： 双馈转子变频 同步电机变频 鼠笼电机变频,交流传动,国际第一代,国际第三代（追赶）,（超越）,全数字控制技术,网络化故障诊断技术,大功率高性

4、能变频控制技术,我国矿山电力传动的发展思路,矿山电力传动关键技术,大功率双三电平功率主回路设计通用型高性能全数字控制系统设计高效三电平有源前端整流技术大功率电机高性能控制调速理论,应用高压IGBTs的前沿技术,HV-IGBT,IGBT,约 5A,约 5A,约 6000A/s,Iload,IDG 4A,约 800 A,约 1000A/s,门电流,t (s),I (A),IGCT,功率半导体比较,高压IGBT,GTO,Hard-switching GTO(IGCT),门极触发功率低门极触发简单,功率元件少 电流限制无任何附加电路的短路保护变频器,门极触发功率高门极触发复杂,功率元件多 无电流限制需

5、附加电路的短路保护变频器(需输出滤波器),勿需缓冲电路,需附加缓冲电路,需附加di/dt 缓冲电路,门极触发功率高门极触发复杂,功率元件多 无电流限制需附加电路的短路保护变频器(需输出滤波器),Back-to-Back双三电平同步电机调速系统示意图,Back-to-Back双三电平系统总体结构图,四、交流提升机控制系统,有源前端优点一览,+,-,直流环节,带有源前端 (AFE) 的 网侧整流器,0,再生回馈 (4 象限运行) 可以补偿网侧供电电压波动 传动动态性能高 动态无功功率补偿,3相. 2.3 - 36 kV AC50/60 Hz,有源前端 - 无功功率补偿,利用逆变器的无功功率补偿功能

6、可使无功功率得到控制!,中压,有功功率,M,再生制动,电机,无功功率,容性无功功率,感性无功功率,电网,3相. 2.3 - 36 kV AC / 50/60 Hz,有源前端 - 定速传动的无功功率补偿,高压,M,M,动力电网,有功功率,有功功率,感性无功功率,容性无功功率,补偿,可不加,无功功率补偿对联接在电源线上优化过的负载非常适合，因为其它三相负载的无功功率要求得到了补偿。,三电平PWM整流器电压定向控制策略,三电平有源前端,由实验波形可知，无论在能量馈入还是馈出的情况下，三电平整流器都能使直流母线电压保持稳定，网侧电流正弦，且保证在电网接入点为单位功率因数。,（一）大功率双三电平功率主回

7、路设计,大功率双三电平功率主回路设计MW级功率无感母线的设计理论与技术功率单元热控制技术功率变换单元电磁兼容设计,四、交流提升机控制系统,交-直-交同步提升机变频控制,同步电机双三电平定子变频调速产品GTM-100/250（1MW/2.5MW）、 GTM/500/1000（5MW/10MW）由定子侧控制系统和转子侧控制系统组成，其中，转子侧：励磁柜；定子侧包括：高压柜、变压器、电抗器、整流柜、逆变柜、调节柜、PLC柜、上位机、操作台、低压配电柜等组成,同步交流提升机三电平变频矢量控制策略,四、交流提升机控制系统,交-直-交鼠笼式提升机变频控制,鼠笼电机双三电平定子变频调速产品：GYM-50/1

8、00/200（NPC三电平1MW/2MW、GYM-50/100/200H（H桥三电平0.5MW/1MW/2MW）； 由高压柜、变压器、电抗器、整流柜、逆变柜、调节柜、PLC柜、上位机、操作台、低压配电柜等组成。,产品的结构模型,四、交流提升机控制系统,交-直-交双馈式提升机变频控制,绕线电机双三电平转子变频调速产品：GZM-100/200（NPC三电平1MW/2MW）、GZM-100/200H（H桥三电平1MW/2MW）由定子侧控制系统和转子侧控制系统组成，其中，定子侧包括：高压柜和换向柜；转子侧由高压柜、变压器、电抗器、整流柜、逆变柜、调节柜、PLC柜、上位机、操作台、低压配电柜等组成。,双

9、馈电机全范围调速理论绕线电机转子串电阻TKD方式的最佳改造方案国内煤矿高性能调速领域80%采用TKD方式为能耗制动方式，系统效率低于60%实现了系统最大限度地降低了系统能耗、扩展了调速范围、提高了调速精度、消除了机械冲击，实现了高压绕线电机高性能控制，从根本上解决了原有TKD系统存在的问题。改造后节能超过20%，整体提效超过30%，应用前景极其广阔。,双馈调速方式原理图,TKD调速系统巨大的电阻室,四、交流提升机控制系统,交-直-交双馈式提升机变频控制,矿用高性能电力传动装备系列：,双馈式拖动,兆瓦级双三电平变频器,变频系统效率99%；功率等级达到5MW；双馈式调速系统可达到6kV-10kV；

10、定子变频调速电压380-3300V；网侧功率因数可达到0.99以上；网侧无需谐波治理；实现了矿山大功率电力传动的跨越式发展。,同步机拖动,鼠笼机拖动,兆瓦级双三电平矿井提升机变频控制系统结构图,三. 矿山电力传动网络化控制与故障诊断技术,以电力传动系统全数字控制为基础，以工业以太网为纽带，结合数据融合和控制信息容错技术，实现对矿山提升机、皮带输送机、风机、水泵主要电力传动装备的信息集成与控制系统。,-实现了矿山大型电力传动装备由监视到控制的跨越,三. 矿山电力传动网络化控制与故障诊断技术,基于CSCW技术，提出了多Agent进行远程故障诊断的方法，建立了诊断知识库、推理机，实现了Agent之间

11、通信和协作诊断推理；实现了网络化矿井提升机故障诊断系统和运行状态网络发布，提供故障预警和故障在线诊断功能，大幅度提升了矿山电力传动系统的安全性。,矿井交流提升机双绕组同步电机变频调速系统主回路,实施效果,本项目从2011年3月初开始运行至今，该系统运转正常，并且与老系统比较有以下优点：,1、一次提升循环时间缩短，由原来的108s缩短为96s，每勾节省时间约12s；每年可多提原煤78万吨。,2、由于调速方式改为交直交变频调速，设备运行平稳，噪声小，电机温度比老系统使用时有所降低；,实施效果,3、新系统在电网接入点电流正弦，能量方便地实现了双向流动，系统在整个工况中都运行在单位功率因数下，完全消除

12、了无功冲击；,实施效果,4、新系统在满载、全速工况下，由国家电控配电设备质量监督检验中心进行检测，下述为检测报告结果；,实施效果,5、运转安全可靠，保护齐全、动作灵敏，故障判断准确，故障率低等特点。,实施效果(性能对比),有功功率,无功功率,老系统,新系统,实施效果(性能对比),定子电流,励磁电流,老系统,新系统,以邯郸云驾岭矿为例：本项目从2007年9月初开始运行至今，该系统运转正常，并且与老系统比较有以下优点：,1、一次提升循环时间缩短，由原来的100s缩短为75s，每勾节省时间约25s；,2、由于调速方式改为转子变频调速，设备运行平稳，实现速度连续可调，电机温度比老系统使用时有所降低且对

13、系统机械冲击小；,四、交流提升机控制系统,交-直-交双馈式提升机变频控制,3、新系统在电网接入点电流正弦，能量方便地实现了双向流动，系统在整个工况中都运行在单位功率因数下，完全消除了无功冲击；,四、交流提升机控制系统,交-直-交双馈式提升机变频控制,4、系统具有明显的节电效果，系统在运行72小时后，提煤2259勾，用电28012度（老系统提同样勾数，用电34788度），与老系统相比，节电6776度，节电19.4%，考虑到原系引起的无功冲击引起的变压器损耗和线路损耗，实际系统节电超过20%；,5、运转安全可靠，保护齐全、动作灵敏，故障判断准确，故障率低等特点。,四、交流提升机控制系统,交-直-交双馈式提升机变频控制,发展趋势,低速直联提升机系统 同步电机替代直流电机 三电平变频器替代交交变频器 较小功率提升机系统 鼠笼变频电机四象限矢量变频调速,谢谢各位专家！,42,42,42,