现代矿井提升机电控系统发展趋势

1现代矿井提升机电控系统发展趋势中国矿业大学August，2012222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333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、减速和精确停车(±1cm/1km)当故障时，必须可靠停车，保障安全。444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60%电控效率97%555电机特性对比低速直流电机交流同步电机效率85-87%96-97%功率3000Kw不受限电机造价10.75转动惯量10.75维护量换向器、电刷无环境适应性差好666国内矿山电力传动装备现状MΔYVdiaVdiaVLVdVdVLtta=150oa=120oa=90oa=60oa=30oa=0o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777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。888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。•该方案已经被西门子和ABB放弃。国内矿山电力传动装备现状可控硅系统谐波29-40%功率因数0.02-0.7无功冲击大逆变失败可能999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：效率60%，无法准确停车SCR全数字直流：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）全数字控制技术网络化故障诊断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111111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121212应用高压IGBTs的前沿技术HV-IGBTIGBT约5A约5A约6000A/sIloadIDG4A约800A约1000A/s门电流t(s)I(A)IGCT131313功率半导体比较高压IGBTGTOHard-switchingGTO(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)141414C1C2S11S12S13S14S24S23S22S21S31S32S33S34D11D12D21D22D31D32S11S12S13S14S24S23S22S21S31S32S33S34D11D12D21D22D31D32整流变压器同步电机定子Back-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四、交流提升机控制系统151515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.2.3-36kVAC50/60Hz161616有源前端-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.2.3-36kVAC/50/60Hz171717有源前端-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PWM整流器电压定向控制策略电压空间矢量PWMSLSL电压PI控制三相PWM整流器负载dcu三相电压源ABC/dq变换didcU电流检测*sdu*squde0qe*di0*qiPI控制PI控制diqiqi191919三电平有源前端•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。202020（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C1C2S11S12S13S14S24S23S22S21S31S32S33S34D11D12D21D22D31D32S11S12S13S14S24S23S22S21S31S32S33S34D11D12D21D22D31D32212121四、交流提升机控制系统3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~T1CU2CU3T2M3~CU1定子功率变换单元转子侧功率变换单元同步电动机222222同步交流提升机三电平变频矢量控制策略SM23ASBSCSPWM调制器dcUdcUAiBifi同步电动机在线模型sαusβusβisαifiPI转速控制器PI转矩电流控制器PI励磁电流控制器sjesrrrrABCS,S,SsMisTis励磁控制*fu*rsTi*sTi*sTu*sMu*sαu*sβu*sMisMi*fu232323四、交流提升机控制系统4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-50/100/200（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。~CU1CU2TM3~定子侧功率变换单元鼠笼异步电动机电流采样电路基极驱动电路IMADS7864电压采样电路双口RAMMCS196参数设置单元上位机CPLD脉冲分配光纤板TMS320F2812DSP电压采样电路电流采样电路基极驱动电路ADS7864CPLD脉冲分配光纤板TMS320F2812DSP242424产品的结构模型1140V电源电抗器柜变流柜负载PLC柜操作台252525四、交流提升机控制系统5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。~CU1CU2TM3~转子侧功率变换单元绕线异步电动机262626•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。PG传感器双三电平变频器传感器传感器高压换相装置高压投切开关三相电网高压投切开关M~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-直-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：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；•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282828上位机及操作台Internet操作保护PLC行程PLC闸控PLC液压站卸载站PLC装载站PLC高压系统整流变压器提升滚筒安全回路卸载站安全回路装载站安全回路（继电器组）全数字调节系统UPS电源箕斗变频提升系统双馈电机定子双馈电机转子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.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。水泵传动风机传动提升机传动皮带传动Internet地面100M/1000M光纤环形工业以太网井下地面装卸载系统地面变电所集中监控系统报表打印机事件打印机数据服务器打印服务器提升机系统井下供电系统水泵监控系统操作员站维护机操作员站操作员站井下100M/1000M光纤环形工业以太网交换机交换机通风系统地面生产系统压风系统采区供电系统信集闭系统皮带运输系统井下摄像头地面摄像头视频服务器文件服务器OA服务器I/O服务器一I/O服务器二内容管理服务器交换机交换机交换机交换机交换机交换机交换机交换机交换机交换机交换机交换机交换机交换机Web服务器大屏管理机交换机管理服务器交换机主干交换机接入交换机接入交换机接入交换机接入交换机集团公司--实现了矿山大型电力传动装备由监视到控制的跨越303030三.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。A矿提升机监测上位机B矿提升机监测上位机C矿提升机监测上位机网络数据库网络知识库通信与网络接口通信与网络接口数据库管理故障诊断知识库管理多专家会诊系统装卸载系统调节系统行程控制操作保护信号系统机械系统液压制动工程师工程师控制指令诊断结果工程师工程师工程师工程师IntranetInternet提升机运行状态监测与网络发布远程故障诊断中心提升机系统数据采集与通信数据采集313131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•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