现代矿井提升机电控系统发展趋势课件.ppt

1、1现代矿井提升机电控系统发展趋势现代矿井提升机电控系统发展趋势 中国矿业大学August，20122 2 2矿山大功率提升机电力传动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矿井提升机是矿山企业的大型机电设备之一,它在生产过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。动最复杂的系统。u我国现有的矿井提升机按主我国现有的矿井提升机按主提升电机分类主要有：提升电机分类主要有：p直流电机拖动系统；直流电机拖

2、动系统；p绕线电机拖动系统；绕线电机拖动系统；p鼠笼电机拖动系统鼠笼电机拖动系统p低速同步电机拖动系统低速同步电机拖动系统3 3 3 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，从几百千万到功率大，从几百千万到5MW5MW要求四象限运行，满足上升下降、加速减速的要求要求四象限运行，满足上升下降、加速减速的要求高可靠性高可靠性运行速度高达运行速度高达15m/s15m/s提升十几吨到几十吨重物，行程内必须准确加、减速和精确停车提升十几吨到几十吨重物，行程内必须准确加、减速和精确停车(1cm/1km)1cm/1km)当故

3、障时，必须可靠停车，保障安全。当故障时，必须可靠停车，保障安全。4 4 4国内矿山电力传动装备现状国内矿山电力传动装备现状第一代F-D驱动 模拟调速 继电器控制 机械式深度指示第二代SCR-D驱动 模拟调速 PLC控制 机械式深度示SCR-D驱动 数字控制 PLC控制 数字深度控制第三代TKD驱动 变阻调速 继电器控制 机械式深度指示TKD驱动 变阻调速 PLC控制 机械式度指示变频驱动 数字调速 PLC控制 数字深度控制直流交流国内主流国际先进占总数的9.7%电控效率80%占总数的90%电控效率97%5 5 5电机特性对比电机特性对比低速直流电机低速直流电机交流同步电机交流同步电机效率效率8

4、5-87%96-97%功率功率3000Kw不受限不受限电机造价电机造价10.75转动惯量转动惯量10.75维护量维护量换向器、电刷换向器、电刷无无环境适应性环境适应性差差好好6 6 6国内矿山电力传动装备现状国内矿山电力传动装备现状MYVdiaVdiaVLVdVdVL t ta=150oa=120oa=90oa=60oa=30oa=0o直流拖动系统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7 7 7国内矿山电力传动装备现状国内矿山电力传动装备现状 目前目前,我国矿山同步电机交流传动系统采用交交变频交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

5、上满足提升系统的运行流提升运行方式，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。要求，但其存在的突出问题却不容忽视。8 8 8 缺点：缺点：1 1、输出电压谐波分、输出电压谐波分量大，导致变频器的量大，导致变频器的输出能力降低、转矩输出能力降低、转矩脉动加大，损耗增加脉动加大，损耗增加，噪声增大；，噪声增大；2 2、在深控时功率因、在深控时功率因数极低，对电网注入数极低，对电网注入大量谐波，需要附加大量谐波，需要附加滤波器进行无功补偿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

6、影响。备造成不良影响。该方案已经被西门子和该方案已经被西门子和ABB放弃。放弃。国内矿山电力传动装备现状国内矿山电力传动装备现状可控硅系统可控硅系统谐波谐波29-40%功率因数功率因数0.02-0.7无功冲击无功冲击大大逆变失败逆变失败可能可能9 9 9国际提升机电力传动的发展趋势国际提升机电力传动的发展趋势 大功率化大功率化 双双PWMPWM交交-直直-交变频传动将成为高性能调速系统主流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网络化、智能化故障诊断等技术成为重要的辅助手段101010旧系统直流传动F-D直流：效率80%，停车精度20cm绕线电机TKD

7、：效率98%，停车精度1cmSCR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）全数字控制技术全数字控制技术网络化故障诊断技术网络化故障诊断技术大功率高性能变频控制技术大功率高性能变频控制技术我国矿山电力传动的发展思路我国矿山电力传动的发展思路111111矿山电力传动关键技术矿山电力传动关键技术 大功率双三电平功率主回路设计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高效三电

8、平有源前端整流技术 大功率电机高性能控制调速理论大功率电机高性能控制调速理论121212应用高压应用高压IGBTs的前沿技术的前沿技术HV-IGBTIGBT约 5A约 5A约 6000A/sIloadIDG 4A约 800 A约 1000A/s门电流t(s)I(A)IGCT131313功率半导体比较功率半导体比较高压高压IGBTGTOHard-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

9、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)141414Back-to-Back双三电平同步电机调速系统示意图1Back-to-Back双三电平系统总体结构图双三电平系统总体结构图四、交流提升机控制系统四、交流提升机控制系统151515有源前端优点一览有源前端优点一览+-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 Hz161616有源前端有源前端-无功功率补偿无功功率补偿 利用逆变器的无功功率补偿功能可使无功功率得到

10、控制!中压 有功功率有功功率 M再生制动 电机无功功率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 Hz171717有源前端有源前端-定速传动的无功功率补偿定速传动的无功功率补偿高压 MM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。181818三电平三电平PWM整流器电压定向控制策略整流器电压定向控制策略191919三电平有源前端 由实验波形可知，无论在能量馈入由实验波形可知，无论在能量馈入还是馈出的情况下，三电平整流器还是馈出的情况下，三电平整流器都

11、能使直流母线电压保持稳定，网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侧电流正弦，且保证在电网接入点为单位功率因数。为单位功率因数。202020（一）大功率双三电平功率主回路设计（一）大功率双三电平功率主回路设计 大功率双三电平功率主回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单元热控制技术功率变换单元电磁兼容设计功率变换单元电磁兼容设计212121四、交流提升机控制系统3交交-直直-交同步提升机变频控制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

12、）、）、GTM/500/1000（5MW/10MW）由定子侧控制系统和转子侧控制系统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；定子组成，其中，转子侧：励磁柜；定子侧包括：高压柜、变压器、电抗器、侧包括：高压柜、变压器、电抗器、整流柜、逆变柜、调节柜、整流柜、逆变柜、调节柜、PLC柜、柜、上位机、操作台、低压配电柜等组成上位机、操作台、低压配电柜等组成222222同步交流提升机三电平变频矢量控制策略同步交流提升机三电平变频矢量控制策略232323四、交流提升机控制系统4交交-直直-交鼠笼式提升机变频控制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-50/10

13、0/200（NPC三电平三电平1MW/2MW、GYM-50/100/200H（H桥三电平桥三电平0.5MW/1MW/2MW）；）；由高压柜、变压器、电抗器、整流柜由高压柜、变压器、电抗器、整流柜、逆变柜、调节柜、逆变柜、调节柜、PLC柜、上位机柜、上位机、操作台、低压配电柜等组成。、操作台、低压配电柜等组成。242424产品的结构模型252525四、交流提升机控制系统5交交-直直-交双馈式提升机变频控制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三电平三电平1MW/2MW）、）、GZM-100/200H（H桥三电平桥三电平1MW/2MW）由定子侧控制

14、系统和转子侧控制系统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、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、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、上位机、操作台、低压配电柜等组成。柜等组成。262626 双馈电机全范围调速理论双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国内煤矿高性能调速领域80%采用采用TKD方式方式为能耗制动方式，系统效率低于为能耗制动方式，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

15、了调速范围、提高了调速精度、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，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。改造后节能超过改造后节能超过20%，整体提效超过，整体提效超过30%，应用前景极其广阔。，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5交交-直直-交双馈式提升机变频控制交双馈式提升机变频控制272727矿用高性能电力传动装备系列：矿用高性能电力传动装备系列：双馈式拖动双馈式拖动兆瓦级双三电平变频器兆瓦级双三电平变频器变频系统

16、效率99%；功率等级达到5MW；双馈式调速系统可达到6kV-10kV；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。同步机拖动同步机拖动鼠笼机拖动鼠笼机拖动282828上位机及上位机及操作台操作台Internet操作保护操作保护PLC行程行程PLC闸控闸控PLC液压站液压站卸载站卸载站PLC装载站装载站PLC高压系统高压系统整流变压器整流变压器提升滚筒提升滚筒安全回路卸载站安全回路卸载站安全回路装载站安全回路装载站安全回路（继电器组）安全回路（继电器组）全数字调节系统全数字调节系统UPS电源电源箕斗箕斗变频提升系变频

17、提升系统统双馈电机定子双馈电机定子双馈电机转子双馈电机转子背靠背双三电平功率系统背靠背双三电平功率系统兆瓦级双三电平矿井提升机变频控制系统结构图292929三三.矿山电力传动网络化控制与故障诊断技术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、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。水泵主要电力传动装备的信息集成与控制系统。水泵传动风机传动提升机传动皮带传动-实现

18、了矿山大型电力传动装备由监视到控制的跨越303030三三.矿山电力传动网络化控制与故障诊断技术矿山电力传动网络化控制与故障诊断技术 基于基于CSCWCSCW技术，提出了多技术，提出了多AgentAgent进行远程故障诊断的方法，建立了诊断知进行远程故障诊断的方法，建立了诊断知识库、推理机，实现了识库、推理机，实现了AgentAgent之间通信和协作诊断推理；实现了网络化矿井之间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。功能，大幅度

19、提升了矿山电力传动系统的安全性。313131矿井交流提升机双绕组同步电机变频调速系统主回路矿井交流提升机双绕组同步电机变频调速系统主回路323232实施效果实施效果 本项目从本项目从2011年年3月初开始运行至今，该系统运转正常，并且与老系统月初开始运行至今，该系统运转正常，并且与老系统比较有以下优点：比较有以下优点：1、一次提升循环时间缩短，、一次提升循环时间缩短，由原来的由原来的108s缩短为缩短为96s，每勾节省时间约每勾节省时间约12s；每年可；每年可多提原煤多提原煤78万吨。万吨。2、由于调速方式改为交直交变频、由于调速方式改为交直交变频调速，设备运行平稳，噪声小，电调速，设备运行平

20、稳，噪声小，电机温度比老系统使用时有所降低；机温度比老系统使用时有所降低；333333实施效果实施效果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、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；工况中都运行在单位功率因数下，完全消除了无功冲击；343434 电压谐波电压谐波(%)电流谐波电流谐波(%)功率因数功率因数 A相相 0.99 3.15 0.9948 B相相 1.17 3.46 C相相 0.91 3.46实施效果实施效果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、新系统

21、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；检测，下述为检测报告结果；353535实施效果实施效果5、运转安全可靠，保护齐全、运转安全可靠，保护齐全、动作灵敏，故障判断准确，故障动作灵敏，故障判断准确，故障率低等特点。率低等特点。363636实施效果实施效果(性能对比性能对比)有功功率有功功率无功功率无功功率老系统老系统新系统新系统373737实施效果实施效果(性能对比性能对比)定子电流定子电流励磁电流励磁电流老系统老系统新系统新系统383838以邯郸云驾岭矿为例：本项目从以邯郸云驾岭矿为例：本项目从2007年年9月初开始运行至今，该系统运转正常，并且与

22、老月初开始运行至今，该系统运转正常，并且与老系统比较有以下优点：系统比较有以下优点：1、一次提升循环时间缩短，、一次提升循环时间缩短，由原来的由原来的100s缩短为缩短为75s，每勾节省时间约每勾节省时间约25s；2、由于调速方式改为转子变频调、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可调，电机温度比老系统使用时有所降低且对系统机械冲击小；所降低且对系统机械冲击小；四、交流提升机控制系统5交交-直直-交双馈式提升机变频控制交双馈式提升机变频控制3939393、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

23、整个、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；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5交交-直直-交双馈式提升机变频控制交双馈式提升机变频控制4040404、系统具有明显的节电效果，系、系统具有明显的节电效果，系统在运行统在运行72小时后，提煤小时后，提煤2259勾勾，用电，用电28012度（老系统提同样度（老系统提同样勾数，用电勾数，用电34788度），与老系度），与老系统相比，节电统相比，节电6776度，节电度，节电19.4%，考虑到原系引起的无功，考虑到原系引起的无功冲击引起的变压

24、器损耗和线路损冲击引起的变压器损耗和线路损耗，实际系统节电超过耗，实际系统节电超过20%；5、运转安全可靠，保护齐全、动、运转安全可靠，保护齐全、动作灵敏，故障判断准确，故障率作灵敏，故障判断准确，故障率低等特点。低等特点。四、交流提升机控制系统5交交-直直-交双馈式提升机变频控制交双馈式提升机变频控制414141发展趋势发展趋势 低速直联提升机系统低速直联提升机系统 同步电机替代直流电机同步电机替代直流电机 三电平变频器替代交交变频器三电平变频器替代交交变频器 较小功率提升机系统较小功率提升机系统 鼠笼变频电机四象限矢量变频调速鼠笼变频电机四象限矢量变频调速 424242谢谢各位专家！谢谢各位专家！424242