某煤矿变频提升电控系统改造方案

一、引言

湖南某煤矿4矿提升机系统现有主井提升电控系统均为交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统。这种系统属于有级调速，低速转矩小，转差功率大，启动电流和换档电流冲击大，中高速运行振动大，制动不安全不可靠，对再生能量处理不力，低速运行到终点时易出现“过卷”现象，故障率高，运行效率低等缺点，矿用生产是24小时连续作业，即使短时间的停机维修也会给生产带来很大损失。集团公司领导下决心对该提升机电控系统进行改造。

因此该煤矿提升机系统拟对原有提升控制系统进行变频改造，改造后的系统采用变频调速控制，针对此低压变频改造项目，武汉市通益电气有限公司通过对生产工艺流程、现场使用条件的充分调研和反复研讨、论证，认为采用武汉市通益电气有限公司生产的TYCHON系列高压变频器完全能满足要求，制定出如下技术方案，此方案具有以下特点：

优良的调速性能，可完全满足生产工艺要求； 良好的节能效果，可提高系统运行效率；

实现电机软启动，减小启动冲击，降低维护费用，延长设备使用寿命； 系统安全、可靠，确保负载连续运行；

控制方便、灵活，自动化水平高，可以灵活的扩充上位机，方便实现DCS控制；

纤小的设备体积，可以有效的缩小设备占地面积，便于集中控制。

二、对高压变频器的要求

由于提升类负载对变频器有着不少特殊的要求，所以一般普通变频器不可能直接用到提升机上。提升机对变频器要求有以下主要特点： （1）要求可靠性高；

（2）要求能实现四象限运行，解决能量回馈； （3）要求有完善的数字控制功能；

（4）技术指标要求高（例如启动转矩2倍以上，150%额定电流以下连续运行，200%额定电流一分钟保护）；

（5）要求适应恶劣的使用环境； （6）要求标准的数字通信接口；

（7）运行速度曲线成S形，加减速平滑。

三、原矿山提升机调速系统简介

该煤矿4矿提升机系统现有主井提升电控系统均为交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统。 设备存在的问题突出表现在：

（1）串联电阻调速，其调速呈跳跃状有级调速，使得减速机齿轮，天轮，矿车与轨道之间，在加减速运行阶段均受到冲击力的作用，使设备易损坏，钢丝绳易疲劳，导致维修量大，检修费用增加。如2007年年终检修中发现：一矿地面绞车减速箱三档低速齿因受巨大冲击力矩使齿轮崩裂；四矿地面绞车减速箱一档高速齿轮轴齿尖崩裂；仅此两项维修材料费用高达45万元。

（2）串联电阻调速，使得矿车起动，调速，减速或长时间开慢车时，大部分电能白白消耗在电阻器上；当电动机在电压下降时，力矩下降，转差率增大，如发生斜井掉道时，绞车难以启

动，易发生溜车事故，如处理不当极易发生人身伤亡事故。

（3）能耗高，低速时机械特性软。因为转速的降低是通过转子外接电阻消耗能量来实现的，并且转速越低，机械特性越软，消耗在电阻中的能量比例越大。

（4）主井提升机

四、变频器选型及性能特性

TYCHON-YVF系列大功率高压变频器是武汉市通益电气有限公司自主研发和生产的高压交流电机调速驱动装置。变频器采用先进的功率单元串联叠波技术、矢量控制技术、有源逆变能量回馈技术、新颖的全中文操作界面，可靠性高、性能优越、操作简便。可应用于需要四象限运行、带能量反馈、动态响应快、低速运行转矩大等场合。

TYCHON-YVF系列矢量控制的高压变频器比通用型高压变频器具备优越的恒转矩起动及快速制动特性，应用范围更加广泛，更适合对电机转速、转矩、制动精度要求高的领域，特别是用于矿山提升机等应用场合。

矿山冶金：矿井提升机、皮带机等，尤其适合大型煤矿的矿井提升机，可完全替代进口产品； 大型港口：港口吊装机等。

1、采用TYCHON-YVF系列矢量高压变频器对矿井提升设备进行驱动具有如下优势：

（1）输入、输出谐波含量低，输入功率因数高。无须滤波器和功率因数补偿，可直接驱动普通电机；

（2）系统控制电源采用220VAC和高压主电源降压隔离后双路供电，系统运行更可靠、操作更简便。其他产品一般采用柜内UPS供电，在柜内高温条件下，UPS电池寿命短、故障率高，且开、停机时，操作烦琐；

（3）冷却风机采用高压主电源降压后直接驱动，风机仅在上高压电后运行。系统220VAC控制电源容量仅需1kVA，且避免了冷却风机启、停时对控制系统的干扰；

（4）功率单元工作电源为高压开关电源，直接取自单元内部电容，避免了瞬时掉电对单元的影响；

（5）更适应于国内电网条件，变频器工作电压范围为UN+15～-20%，如6kV系列可稳定运行

于6900V电压条件下；

（6）瞬时停电保护功能。当主电源失电后，变频器控制电机处于发电状态运行，为单元电容充电，并为单元控制电源供电，直至主电源恢复，变频器回到原运行状态。瞬时停电时间典型值为3秒（具体时间长短与负载的转动惯量大小有关）；

（7）限流功能。避免启动或负载突然变化时，使变频器输出电流过大而导致保护动作； （8）操作平台采用全中文Windows 2000系统，运行稳定，且易学易用； （9）结构紧凑，体积小。与国内同容量产品相比，柜体宽度缩小0.6～1.0米；

（10）完善的上位控制功能。可与DCS系统实现通讯（采用标准MODBUS通讯规约）或I/O方式连接。

（11）主要器件均采用世界一流厂商的成熟产品，产品从元器件至半成品及成品，均实现100%的严格测试。各系列产品出厂前均完成100% 72小时以上负载测试记录，确保产品的可靠性。 （12）有较强的工程设计能力和沟通意愿，能根据用户现场条件和控制要求量身定做，及时满足用户的不同需求；

（13）功率单元模块化设计，可以互换，维护简单； （14）二次接线模块化设计，现场接线简单，安装周期短； 2、主要技术性能指标

² 额定容量： 350kVA ² 适配电机功率： 250kW ² 额定电流： 31A

² 额定输入电压： 6kV（-20%～+15%） ² 输入频率： 45 - 55Hz

² 输入方式： 30脉冲二极管全波整流输入 ² 输出方式： 每相6单元叠波正弦波脉宽调制输出 ² 输入功率因数： 大于0.96（额定负载时） ² 效率（含变压器）： 大于96%（额定负载时） ² 输出频率： 0 - 120Hz，0 - 100%连续可调

² 频率分辨率： 0.01Hz

² 过载能力： 120%一分钟保护，150%立即保护 ² 控制电源： 双路供电，220VAC，1kVA ² 冷却方式： 强制风冷 ² 防护等级： IP30 ² 总重： 约3500kg

² 模拟量输入： 两路，0~10V/4~20mA，任意设定 ² 模拟量输出： 两路，0~10V/4~20mA，可选 ² 开关量输入输出： 24入/16出（可按用户要求扩展） ² 通讯接口： 隔离RS485接口，MODBUS规约 ² 运行环境温度： 0到40℃ ² 贮存/运输温度： -40到70℃

² 环境湿度： <90%（20℃时），不结露

² 安装海拔高度： <1000米（超过1000米时，需降额运行）

² 运行参数自动记录和输出、自动故障记录、限流功能、输出电压自动调整功能、瞬时停电自动跟踪功能等。

3、技术参数

型号TYCHON-YVF 变频器容量（kVA） 适配电机功率（kW） 额定输出电流（A） 外型尺寸（W×H×D） 每相串联单元数 额定输入电压 输入频率 调制技术 控制电源 输入功率因数 效率（含变压器） 输出频率范围 06/031 315 250 31 3400×2000×1500 6 6kV（-20%～+10%） 45Hz～55Hz PWM控制技术、带速度传感器的矢量控制技术 220VAC，1kVA 额定负载下≥0.9 额定负载下≥95% 0Hz～120Hz 输出频率分辨率 过载能力 模拟量输入 模拟量输出 上位通讯 加减速时间 开关量输入输出 运行环境温度 贮存/运输温度 冷却方式 环境湿度 安装海拔高度 0.01Hz 150%额定电流一分钟，200%额定电流立即保护 两路，0～10V/4～20mA 两路，0～10V/4～20mA 隔离RS485接口，MODBUS，PROFIBUS 5秒～1600秒，连续可调 12入/9出 0到45℃ -40到70℃ 强迫风冷 <90%，不结露 <1000米（超过1000米时，需降额使用） 五、变频器改造后的经济效益

由于本次采样未取得原提升系统运行速度图，系统经变频改造后具体节能量无法通过计算得到。根据既往同类案例估算，该矿井主、副提升系统经变频改造后节能量均能达到30%以上。

1、工频状态下的年耗电量计算：

Pd：电动机功率； U：电动机输入电压； I：电动机输入电流； cosφ：功率因数； Cd：年耗电量。

计算公式：Pd＝ 1.732×U×I×cosφ

电机功耗：Pd＝ 1.732×U×I×cosφ＝ 1.732×6×27×0.85＝238.5kW 日耗电量：238.5×0.083×100＝1979.55kWh 年耗电量：Cd＝1979.55×350＝692842.5kWh 变频状态下的年耗电量计算： 电机功耗：（5/50）×200＝0.2kWh （30/50）×200＝43.2kWh

日耗电量：0.2×0.0167×100＝0.334Wh 43.2×0.011×100＝47.52kWh 238.5×0.056×100＝1335.6kWh 0.334＋47.52＋1335.6＝1383.45kWh 日耗电量节约：

3

3

1979.55kWh－1383.45kWh＝596.1kWh 节电率：596.1/1979.55=30% 年耗电量节约：

596.1kWh×350＝208635kWh×0.56＝116835.6元 2、机械，电气方面节约的维护费用

（1）变速箱的齿轮因为改造后实现了软启，软停，大大减少了齿轮受硬机械力的损伤的可能性，每年可以减少维护费用不低于10万元。

（2）改造后电阻箱的消耗基本没有，这一块的维护费用可以全部节约。大致一年可以节约1.5万元左右。

（3）电气柜内的控制串阻的接触器可以延长使用寿命，一年可以节约将近1万元的电气元器件费用。

（4）加了电磁制动以后，减少了机械制动的摩擦力，机械制动每年可以节省维护费用5000元。

（5）在提升系统改造成了变频系统控制以后，维护时间大大缩短，间接产生的经济效益大大提高了。

六、结束语

矿山提升机变频调速系统具有控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点，随着变频调速技术的日益成熟与能源节约要求的必然趋势，它正成为矿山提升机传动的发展方向。

改造后的提升机系统，大大降低了工人的劳动强度，操作的灵活性比以前有很大的提高，根据不同的工况可以有针对性地改变系统参数，提高了生产效率。斜井掉道和料车启不动的情况基本可以杜绝，安全性也有很大的改善，由于频率可调的随意性，钢缆的更换比以前安全可靠多了。由于有了电气制动，相对于在原有的机械制动的条件下又加了一层保险，溜车和料车出轨的情况基本可以杜绝，并且大大提高了料车到位的准确性。

综上所述，该提升系统改造后，所产生的经济效益和生产效益在原来基础上有很大的提高，尤其是在经济效益方面，节能的费用和维护的费用一年能节约将近24万元左右。要是算上间接产生的经济效益，两年半左右基本上可以把用于系统升级换代的费用全部收回来，经济效益相当可观。

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