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云南都龙矿区变频器能量回馈控制系统的开发利用
2019-02-20
四象限变频器在速度控制及需要减速制动时,实现再生回馈制动及网侧换流功能,将 再生能量回馈电网。在深入研究四象限变频器工作原理的基础上,以云南省都龙矿区废石皮带运 输系统为例,设计开发了数字化矿山、智能化选厂的综合废石回收变频驱动胶带机系统,充分实现 了资源节约的效果,并详细分析了系统构架及主从控制的全过程,以供相关研究参考。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 云南都龙矿区变频器能量回馈控制系统的开发利用 李永芬ꢀ 阳ꢀ 勇ꢀ 冯永豪 ( 云南华联锌铟股份有限公司) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 四象限变频器在速度控制及需要减速制动时,实现再生回馈制动及网侧换流功能,将 再生能量回馈电网。 在深入研究四象限变频器工作原理的基础上,以云南省都龙矿区废石皮带运 输系统为例,设计开发了数字化矿山、智能化选厂的综合废石回收变频驱动胶带机系统,充分实现 了资源节约的效果,并详细分析了系统构架及主从控制的全过程,以供相关研究参考。 关键词ꢀ 四象限变频器ꢀ 负载分配ꢀ 主从控制ꢀ 能量回馈ꢀ 节能 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 040 ꢀ ꢀ 云南都龙矿区矿产资源丰富,是一个以锌、锡、 动系统的负荷为最大,停机时间和负荷状态,是选择 变频器最大过载能力的关键;③对于多驱的皮带机, 变频器必须具有负载平衡功能,保证多个电机的出 力平衡,这样才能避免电机出力不平衡造成对机械 铟为主,伴生有铜、银、镉、硫、铁、萤石、滑石等多种 可回收资源的有益共、伴生组分的矿床,具有很高的 综合开采价值。 矿山虽经过多年开采,保有的资源 储量依然丰富。 矿区现有铜街—曼家寨露天采矿能 力为 210 万 t/ a,露天采场采出矿石统一向选矿厂供 矿。 近年来由于国际一流选矿厂的出现及其他选矿 厂 工 艺 不 断 改 进, 使 矿 区 选 矿 生 产 能 力 达 360 万 t/ a,造成露天采场生产能力难以满足选矿 厂对原料的需求。 为此矿区启动露天采场 360 万 t/ a 采矿扩建工程项目。 [ 1] 设备及皮带本体的损害 。 介于下运胶带在启动时无功负荷和输送负荷较 少时,变频器从供电回路取电后给电动机供电,此时 电机做正功与一般的变频调速系统完全相同;当负 荷达到一定量时,负载在惯性作用下,产生向下驱动 力,电机做负功,处于发电状态。 因此驱动胶带机电 机的变频器必须采用四象限运行的有源整流/ 回馈 柜+逆变器控制系统。 在速度控制及需要减速制动 时,实现再生回馈制动功能,并通过 IGBT 实现网侧 换流,将再生能量回馈电网。 与 360 万 t/ a 采矿工程项目配套的南加排土场 # # 1 破碎站及胶带运输系统中,2 胶带为下行布置,运 量 Q=3 000 t/ h,带宽 B = 1. 2 m,带速 v = 4. 5 m/ s, 采用 双 滚 筒 三 电 机 驱 动, 电 机 功 率 为 3 × 500 kW,10 kV。 水平输送长度 1 517 m, 头部滚筒标 高 848 m,尾部滚筒标高 1 010 m,下放高度 H = 162 m。 胶带机全程装有防打滑、防撕裂、防跑偏、防超 速、拉绳等安全联锁保护装置。 1ꢀ 四象限变频器的工作原理 在直角坐标系中定义纵轴为电机的转速,横轴 为电机的转矩,以转速方向相同为正,电机的运行象 限如图 1 所示。 变频器的运行象限沿用电动机的运 行象限,各象限中,电机的运行方式和变频器的运行 方式如表 1 所示。 当电机输出的轴转矩与电机转向 相同时,电机运行在电动机方式,变频器从电网获取 有功功率并输出给电机,变频器运行在能量输出方 式下;当电机输出的轴转矩与电机方向相反时,电机 运行在发电机方式下,变频器从电机获得有功功率 并回馈给电网,变频器运行在能量回馈方式下。 电网侧采用二极管不可控整流或者半控整流的 变频器,紧能够工作在第一象限和第三象限,称为两 象限变频器;电网侧采用可控整流,能够工作在 4 个 象限的变频器称为四象限变频器,也称为能量回馈 由于胶带输送机为下行布置,其特点:①启动时 转矩为正,随着速度上升,转矩迅速改变方向,变为 负,电机由电动状态进入发电状态,因此拖动电机的 变频器必须为四象限变频器,电机运行在发电机状 态时,才能把由机械能转化为电能回馈电网;②下运 皮带机的启动容易,重载启动其转矩也不大,关键在 于停机,停机为制动状态,停机的制动状态使整个驱 ꢀ ꢀ 李永芬(1981—),女,工程师,663700 云南省文山州马关县都龙 镇。 1 66 ꢀ ꢀ 李永芬ꢀ 阳ꢀ 勇等:云南都龙矿区变频器能量回馈控制系统的开发利用 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 H 桥逆变的两电平输出的功率单元,一种是三电平 输出的功率单元。 两电平输出的功率单元,工作电 压在 580 ~ 720 V,10 kV 输出的变频器,一般采用额 定电压 640 V 每相 9 单元结构或者额定电压 720 V 每相 8 单元结构,无论是每相 9 单元还是每相 8 单 元,其功率单元的核心器件都是一样的。 图 3 是两 图 1ꢀ 电机运行象限 电平功率单元拓扑结构图和单个功率单元输出波形 表 1ꢀ 变频器的运行象限 图。 三电平功率单元功率电压一般在 1 150 V,所以 有功功率 流向 电机运行 方式 变频器 运行方式 运行象限 转向 转矩 10 kV 输出的变频器,每相 5 个功率单元就能满足 输出电压的要求,功率单元拓扑结构图和单个功率 单元输出波形如图 4 所示。 第一象限 正转 第二象限 正转 第三象限 反转 第四象限 反转 正向 变频器→电机 电动机 反向 电机→变频器 发电机 反向 变频器→电机 电动机 正向 电机→变频器 发电机 能量输出 能量回馈 能量输出 能量回馈 型变频器。 两象限变频器紧能够将从电网吸收的有 功功率输出给电机,而无法将负载发出的能量,或电 机制动时产生的能量回馈给电网;四象限变频器可 以实现有功功率的双向流动。 当电机需要减速制动 时,两象限变频器紧能依靠电机和负载的阻力提供 制动力矩,减速过程较慢;四象限变频器可以驱动电 机输出制动力矩,并将电动机与负载的动能变成电 [ 2] 。 能回馈给电网 1 . 1ꢀ 变频器的拓扑结构 目前直接高—高结构的高压四象限变频器,都 是采用单元串联多电平拓扑结构,变频器的拓扑结 构是输入变压器+功率单元模式,变频器的拓扑结 构如图 2 所示。 左图 2(a) 为每相 8 个两电平逆变 输出功率单元的变频器拓扑结构,右图 2(b)为每相 图 3ꢀ 两电平输出功率单元和输出波形 5 个三电平逆变输出功率单元的变频器拓扑结构。 输入 变 压 器 的 作 用 是 隔 离 和 降 压, 把 10 kV 或 者 6 kV 的电压降低到功率单元工作电压等级,并 且把各个输出之间及原边做电气隔离。 变压器的二 次侧输出给功率单元。 图 4ꢀ 三电平输出功率单元和输出波形 功率单元是四象限变频器的核心,采用 IGBT 整流的功率单元,是真正的四象限的功率单元,由四 象限功率单元组成的变频器为四象限变频器。 IG- BT 整流,可以控制电流的相位和幅值,单元的电流 和电网电压同频同相时,能量由电网流入变频器,变 频器运行在拖动状态,是通常讲的运行在一、三象限 图 2ꢀ 四象限变频器拓扑结构 1 . 2ꢀ 变频器的功率单元 功率单元目前有 2 种类型的功率单元,一种是 1 67 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 状态,当单元的电流和电网电压同频反相时,能量由 变频器流向电网,变频器运行在制动状态,是通常讲 的运行在二、四象限。 所以 IGBT 整流是四象限变 频器的核心。 无论是两电平逆变输出的功率单元还 是三电平逆变输出的功率单元,都遵循这样的基本 量的方式来运行,减少因为变频器检修带来的停产 风险。 [ 3] 原则 。 2 ꢀ 皮带机驱动控制系统的设计开发 2 . 1ꢀ 系统构架 # 云南都龙矿区南加排土场 1 破碎站及胶带运 图 6ꢀ 从控制系统 # 输系统 2 胶带机驱动系统如图 5 所示。 2. 3ꢀ 变频驱动的优点 胶带机采用变频驱动,主要有以下优点:①软启 动、软停机,不需要如 CST 等机械软启动装置,启动 过程对电网和机械无冲击,延长皮带机寿命,减少启 动和停机过程中胶带打滑事故;②根据运量灵活调 整胶带运行速度,降速运行会延长皮带机寿命;③可 以快速顺序启动皮带机,缩短多条皮带启动时间,提 高系统运行效率;④可以较低速度平稳运行,利于验 带;⑤多驱负载平衡控制实现容易,负载平衡精度 高,一般负载不平衡度小于 1% ;⑥下运皮带能量回 [ 4] 馈电网,降低系统电耗 。 3 ꢀ 结ꢀ 语 图 5ꢀ 胶带机驱动系统 经过运行,四象限变频器在下行皮带中运行系 该系统由 3 台电动机共同驱动,变频器采用一 拖一 与 3 台 电 动 机 对 应, 变 频 器 为 四 象 限 变 频 器,10 kV 输入 10 kV 输出的直接高—高型变频器, 变频器按 150% ,60 s 的过载选型,采用无速度传感 器的矢量控制,满足皮带机的满载启动、低速验带、 重载停机等工况,在运行过程中,变频器通过能量回 馈电网的方式对电机制动,将物料的机械能(重力 势能)转换成为电能,送入电网。 以实现节能降耗。 统稳定,节能降耗,为企业带来经济效益,符合国家 # 节 能 降 耗 方 针 政 策。 根 据 2 胶 带 机 运 量 为 3 000 t/ h,运输高差 162 m,物料向下运动位能变 化产生动能为 4 762 800 kJ;该动能经过发电机全部 转换为电能,则适配的电机功率为 1 323 kW;考虑 到传动效率、空气阻力、转化效率等多种因素,实际 发电功率约为 860 kW,根据废石运输工作制度,正 4 常运量下皮带运输 系 统 年 发 电 量 约 为 387 × 10 2 . 2ꢀ 主从控制 控制形式为多传动的主从控制方案来实现负载 kWh。 当皮带运输系统正常生产时,皮带处于发电 状态,电能回馈到 10 kV 侧,用于补充附近线路上其 他变电所的电能消耗,有效减少 10 kV 供电线路的 输送容量,降低线路电能损耗,降低生产能耗。 的均匀分配,主机为速度控制,从机为转矩控制,主 机接受电控系统的控制及给定,并通过串行接口将 转矩数据传递给从机来控制从机,从机跟随主机的 转矩给定,从机的所有状态通过 PROFIBUS 现场总 线反馈给主机,达到主机和从机出力平衡的目标。 因主机和 2 台从机之间采用刚性及柔性连接,因为 机械系统的生产误差及皮带机的误差累积效果,所 以 3 个传动单元之间允许存在微小的速度差。 图 6 是主从控制系统图,系统可以根据现场情况定义任 意 1 台变频器为主机,并且在主机故障时,可以指定 其中 1 台从机为主机,采用 2 台变频器拖动,降低运 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ [ 1]ꢀ 刘广州,曹永刚. 高压变频器在主井提升机上的应用[J]. 电气 时代,2009(5):62-65. 2]ꢀ 倚ꢀ 鹏. 高压大功率变频器技术原理与应用[ M]. 北京:中国 人民邮电出版社,2008. 3]ꢀ 许建刚. ACS800 变频技术在胶带运输机电气传动控制改造中 的运用[J]. 中国金属通报,2012,34(5):29-32. 4]ꢀ 汇川技术. 四象限变频器在矿井绞车上的应用[J]. 自动化博 览,2015(5):84-88. (收稿日期 2018-07-02ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) 1 68
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