转子变频双馈调速

关键词： 转子 组成 变频 调速

转子变频双馈调速（精选三篇）

转子变频双馈调速 篇1

1 改造方案

由于提升机机械部分在近年技术进展不大,再加上十矿多年精心维护和升级换代,设备机械部分运行良好,故原则上不更换,仅采用数字化、自动化和信息化等先进技术手段,将双机拖动提升电控系统改造为节能降耗的变频调速系统。由于电机为6 kV高压绕线电机,故采用转子侧双馈变频调速技术,不仅可节约定子侧高压变频的昂贵成本投入,且可实现转差功率的回馈利用,实现节能高效运行。双机拖动提升系统转子双馈变频结构如图1所示。

系统采用2套交—直—交变频器进行双电机拖动的改造。每台电机配1台变频器实现转差功率的回馈利用。改造中,还采用了多PLC网络控制技术和上位机管理系统,实现在线监测、故障自诊断和双线安全保护,并可通过上位机进行远程数据共享,以提高设备的自动化和网络化水平。

2 关键技术分析

2.1 转差功率的回馈利用

串电阻调速能量流动如图2所示。在图2中,定子侧输入功率P1,在扣除定子铜损与铁损后,通过气隙传递给电机转子的能量为电磁功率Pem,忽略其他损耗,电磁功率可分为机械功率和转差功率两部分,即:Pem=Pmec+Ps。提升机为恒转矩负载,故电磁转矩Tem=TΩ1=常数,若人为改变电机的转差功率,则电机输出的机械功率随之改变。老TKD系统中,系统加速段转差功率通过8级电阻的分段切换,来实现转差功率的调节,即:Ps=sPem=3Iundefinedr2,从而实现调速。但在此阶段能量被电阻消耗掉,而在减速段,TKD系统的动力制动方式将机械能转换为电能消耗在转子电阻上,造成能量浪费。

双馈调速[2]即两侧馈电,就是将电能分别馈入绕线电机的定子绕组和转子绕组中。一般将定子绕组接入频率固定的工频电源,将转子绕组接到频率、幅值、相位和相序都可以调节的独立的交流电源上,通过改变转子绕组电源的频率、幅值、相位和相序,就可以调节异步电机的转矩、转速和电动机定子侧的无功功率。双馈调速系统如图3所示,通过转子侧变频器提供的与转子感应电势同频的变压变频转子电源,在加速工况下,可将转差功率通过转子变频器回馈电网;在制动工况下,将调节电机运行在发电制动状态,使系统机械能转换为电能回馈电网,实现能量的回馈利用。

2.2 双机拖动出力一致性实现

由于系统为双电机拖动系统,且电机功率不同,为保证电机在运行中出力一致,系统采用了2套矢量控制部分,以确保电流调节和磁通控制独立,但共用1个速度控制环,在程序中保证电机转速的同步。另外,2台电机主轴与减速机的直连结构也保证了电机出力的一致性,实现同步运行。

2.3 谐波抑制

谐波含量作为变频器的主要参考指标,对电气设备的影响很大,特别是5次、7次等谐波,可使电机发热严重,损耗增大,电网继电保护装置误动作[3]。因此,对双馈调速系统需要进行变频器谐波抑制,来保证电机的安全可靠运行。

该系统首先将电机与变频器作为双馈调速系统整体考虑,从基本设计出发,在每个环节都进行谐波抑制考虑,并从软硬件2个部分进行处理,减小谐波对电网的污染,达到绿色变频。如在控制中采用高精度的矢量控制算法,由全控整流单元进行谐波调节补偿(图4)。通过对三电平整流器的三相电压、电流的检测,结合定子电压定向手段对整流器进行解耦,从而计算出有功电流Id、无功电流Iq。在系统设计中,根据逆变器的需求,确定了所需的直流电压,整流器的控制以此直流电压作为指标,构成电压外环;电压外环的输出作为有功电流的给定,经过解耦运算后得到的有功电流Id作为反馈,使网侧谐波小于4%。此外,建立了独立的接地极和接地体,以消除剩余的高次谐波。

3 改造效果

实测改造后的系统,测得定子侧电网A相的电压电流波形图(图5)和变频器直流母线在馈电前后的对比波形图如图6、图7、图8所示。

由图5、图6对比可得,无论能量是馈入或者馈出,系统都在高功率因数下运行;由图7可得,在系统馈电前后,直流母线电压在波动后很快达到稳态,实现了能量的双向流动和回馈利用。图8是系统提升1钩时测得的电压、电流、转速的波形,可以看到系统运行平稳,各项性能优异。

4 结语

系统经改造投入运行后,每月节电在3万kWh以上,年节约电费20万元以上;且提升1钩所用时间由原来的80 s缩短到现在的66 s,每小时多提4钩,显著提升了矿井提升能力。该系统采用高性能的处理器和矢量控制算法,达到了良好的控制效果;旧的TKD电阻分级切换会对系统有机械冲击,新系统则能实现无级调速,且运行过程平稳;进行了谐波抑制和处理,实现了绿色变频;采用多PLC网络控制技术、上位机信息管理等先进技术,实现了监测监控运行和故障自诊断,提升了主井电控系统的综合自动化水平。总之,TKD电控系统的改造并投入运行,提高了主井提升系统的安全可靠运行水平,节能效果良好。

参考文献

[1]蒲新征.提升机用绕线电机双馈调速系统的应用[J].煤矿机电,2010(5):72-74.

[2]胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京:机械工业出版社,2001.

转子变频双馈调速 篇2

通常情况下, 组成此转子变频调速系统主要有三大部分, 分别为操作台, 主控柜和变频柜。而操作台又是由三段组成的, 分别为左段、右段和中段。在左端和右端的斜面位置处, 都装有指示灯和指示仪表, 在左右段的平面部分, 则分别装有主令控制的操作手把、可调闸、按钮以及各种转换开关等部件, 而在中段则装有键盘以及彩色液晶体显示器。另外, 在操作台的内部还装有润滑泵接触器、一套副PLC、制动泵以及接口端子;一般情况下, 系统主控柜都是由辅助继电器和一套主PLC两部分组成的, 在文章所采用的转子变频调速系统中, 继电器采用的为施耐德系列继电器;在此系统中, 变频柜选择为西门子公司的6SE70系列的变频装置, 其通常也是由两部分组成, 分别为逆变单元和回馈单元。

2 转子变频调速系统的功能

2.1 信号闭锁功能

对于转子变频调速系统的信号闭锁功能, 其主要是通过如下的方式实现的:当在中间的继电器输入PLC时, 如果打点信号的点数为“1”点, 那么开车后系统就无法自动停车, 只有人工让其停车才能停下来;当打点信号的点数为“2”点和“4”点时, 系统只能正向开车;当打点的信号为“3”点和“5”点时, 系统则只能反向开车。

2.2 信号开车的方式

(1) 手动开车。正常的状态下都是手动开车的方式, 速度的调节范围为0-3.2m/s; (2) PLC应急开车。当发现PLC内部出现运行的故障时, 系统会自动的将这些故障屏蔽, 同样的速度的调节范围也为0-3.2m/s; (3) 应急开车。通常在需要紧急开车的情况下会应用此种开车的方式, PLC内部的所有软过卷故障会被屏蔽, 速度的调节范围为0-2m/s; (4) 检修开车。在检修绞车时一般会采用这种开车的方式, 同样的, PLC内部的过卷保护也会被屏蔽, 其速度最大也不会超过0.5m/s。

2.3 系统的安全保护措施

当系统出现异常情况或是运行故障时, 而为了避免问题的进一步扩大, 那么就必须强迫系统停止工作, 并且还要防止其重新启动, 因此, 系统就必须设有安全回路。在变频调速系统中, 一般都设有两条安全回路。分别为主PLC和副PLC内部程序设置的安全回路以及继电器中的安全回路。其中, 继电器中的安全回路与系统内的其他回路是独立开来的, 它对系统的闸制动系统和电气传动系统会直接起到安全保护作用。在系统的20项保护措施中, 共计有15项是起到安全保护作用的, 它们分别为高压闭锁保护、超速保护、过卷保护、松绳保护、过负荷保护、限速保护、脚踏开关保护、事故逆转保护、变频器故障保护、欠电压保护、急停开关保护、信号方向闭锁、油压过压保护、减速功能保护和断销保护。

2.4 上位机监控

通过对PLC通讯所采集到的数据进行监控, 主要监控以下三大内容: (1) 基本画面。当绞车处于正常运转的过程中, 会显示这一画面。其显示的内容有很多, 如速度曲线、提升次数、打点信号、模拟显示器运行装置动画图、开车方式、速度、行程、安全保护故障显示以及电机电流等; (2) 子画面。主要有监控一览、故障一览、分页查询以及数据参数修改等子画面; (3) 修改参数。为确保整个系统安全、稳定的运行, 要想修改参数, 就必须在系统中先输入设定过的密码, 成功后才能进入修改子画面。

3 PLC控制

通常情况下, 转子变频调速系统的PLC主要包括CPU模块、数字量模块、模拟量模块、电源模块、高速计数器模块以及主机架等部件, 在系统的运行过程中, 主PLC会对其进行有效的管控, 同时执行正常的操作程序, 其能与上位机进行即时的通讯, 同时也可生成方向信号和开车信号, 当出现运行故障时, 可以及时的进行闭锁和安全保护。

主PLC和副PLC都可以实现双线控制保护, 对于速度、过卷、减速以及容器位置等对系统运行会产生重要影响的信号应采用双重保护, 同时还具有位置保护和全行程速度保护功能。

4 转子变频调速系统的工作原理

首先, 变频器会将整流变压器输出的交流电源转变成为直流电源, 而在通过逆变单元时, 此直流电源又被转化成具有可控电压和可控频率的电流并且输入到转子中, 其变频电源通常为0-50Hz, 也就实现了变压和变频的调速功能。当转子侧馈入功率了, 那么其就是处于整流的状态下, 逆变单元也就处于了逆变状态, 如果转子侧是馈出了功率, 那么逆变单元就处于整流状态, 回馈单元就处于了逆变回馈状态。

5 转子变频调速系统的性能优点

5.1 结构简单, 不易出现故障

当在矿井提升机中应用了转子变频调速系统后, 由于所采用的电路均为大规模和超大规模的集成电路, 结构简单并且不需要大量的元器件, 大大的减少了原来系统的故障点, 运行过程中的安全性和可靠性更高。

5.2 可无极调速, 并且调速性能更好

应用转子变频调速系统后, 其可以调速的范围更广, 调速的性能也更加稳定, 同时实现了无极调速。原来系统的调速性能差并且工作效率低, 也无法无极调速。

5.3 工作更加稳定并且精度更高

此系统内部设有微处理器, 软件会自动完成调速的算法和整个控制功能, 保证了控制参数的准确性, 同时当确定了控制参数后, 就无法随意的将其更改, 工作过程中更加稳定, 并且具备较高的控制精度。

5.4 具备较强的故障自诊断能力

在转子变频调速系统中, 软件可以即时的反映出硬件的工作状态, 硬件系统也可以实时的监控软件的运行性能, 因此, 无论是软件还是硬件出现故障时, 系统都可以将故障及时的诊断出来, 并且维护也较为方便, 降低了维护的成本。

6 应用转子变频调速系统后的效益

6.1 社会效益

应用转子变频调速系统后, 大大的提升了电控系统的装备水平, 同时也大大的提高了设备运行过程的稳定性和安全性;此系统的性能好并且精度高, 传动部件之间的冲击和磨损现象得到了极大改善, 延长了矿井提升机的使用寿命;由于电控设备所采用的为柜式封闭的结构, 并且PLC无需触点就可以精准的控制, 噪声被大大的降低了, 有利于环保工作的顺利开展。

6.2 经济效益

在应用了此转子变频调速系统后, 耗电量得到了大大的降低, 平均每年节省电量超过了10万元;另外, 此系统易损件较少, 电气元件有较高的可靠性, 配件和材料的采购费用也降低了2万元。

在我国煤炭行业的矿井提升机设备中应用了转子变频调速系统后, 通过不断的改良和测试后, 现阶段已经发展成为了一种较为成熟的技术, 系统运行过程中具备较高的稳定性和安全性, 同时各项参数指标也是符合相关的技术标准的。并且在矿井提升机中应用转子变频调速系统后, 对于日后研究交流拖动机的电控技术也提供了重要的技术支持, 获得了较高的经济效益和社会效益, 值得进一步的推广和应用。

摘要：进入到新世纪以来, 随着我国科学技术水平以及社会经济水平的迅速提高, 我国的各行各业都得到了快速的发展, 在我国的煤矿行业中, 矿井提升机是矿井地面和井下作业过程中十分常用大型提升机械设备, 但是传统的矿井提升机会使用到大量的电阻器、接触器和继电器, 控制系统的复杂程度很高, 这就带来了其运行易出现故障并且噪音大并且维修工作量大等问题, 同时也浪费了大量的电能。文章便首先介绍了矿井提升机转子变频调速系统的组成和系统功能, 并且分析了其工作原理和调速性能, 应用了此系统后大大的提升其生产过程的经济效益和社会效益, 值得进一步的推广和使用。

关键词：矿井提升机,转子变频调速系统,应用分析

参考文献

[1]王宇慧.矿井提升机智能调速控制系统研究[D].太原:太原理工大学, 2013.

[2]谭波.矿井提升机中变频调速的应用[J].电器工业, 2011.

转子变频双馈调速 篇3

1 转子侧变频调速器的工作原理

转子侧变频调速器主要用于绕线式电动机, 其原理是通过在转子回路引入附加电势, 改变异步电动机的转差率来达到调速的目的。因它是通过内反馈斩波调速装置和逆变变压器, 将转差功率又反馈回电网, 因此是一种高效的调速方式。其控制原理见图1。

2 常见问题及处理方法

1) 功率因数过低

在90%额定转速下运行时, 系统总功率因数小于0.6;在50%额定转速运行时小于0.3。该调速系统中的晶闸管逆变器在工作时需要吸收无功功率, 造成系统总功率因数低, 同时由于系统中转子整流器的作用, 使电动机本身的功率因数变坏, 由于系统中电动机和逆变变压器的电流波形发生畸变, 使系统的总功率因数变坏。针对这个问题, 通过计算后, 在机旁重新增加了一组300kVAR的电容柜补偿, 与高温风机连锁启停, 改造后功率因素达到0.93。

2) 由于电力进厂电压为35kV, 主变容量8 000kVA, 而且是属于雷电比较活跃的地区, 一到雷雨天气, 外部电网电压波动较大, 导致主变10kV侧电压不稳定, 波动大, 引起调速柜本身因逆变过压或整流过压保护动作, 所以调速柜经常跳转到水电阻柜上。此时, 短接接触器吸合, 转子完全短接, 电动机全速运行, 导致烧成系统生产不稳定, 而且风机振动较大, 影响到设备的安全平稳运行。

针对此问题, 我们首先调整了整流电流、整流电压、逆变电流、逆变电压等相关的运行参数, 但还是会出现跳转的情况。于是又增加一台水阻调速柜用于替代原先的水阻启动柜 (更换下来的水阻启动柜可以装到其他设备上或是留做备用) , 当变频调速柜跳转到水阻柜后, 也可以进行调速, 实现转速平滑过渡。但是水阻调速柜长期串接在电动机转子回路当中, 水温上升较快, 虽然用冷却器对水进行强制循环冷却, 但是温度还是比较高, 需要经常检查补水。

3) 电动机集电环打火严重, 甚至烧坏。采用转子侧变频器之前, 通过对绕线电动机集电环的常规维护, 如停机时对集电环进行彻底清灰, 检查每一块碳刷的磨损情况, 检查集电环上的绝缘套管的受热和磨损情况, 从来没有发生过由于碳刷打火导致生产停机的设备事故。但是采用转子侧变频调速柜后, 相继出现了两起由碳刷打火引起的设备停机事故。每次都是滑环起火, 集电环上的铜螺杆熔断, 属于集电环相间短路造成的恶性事故。处理起来基本都是要重新更换一套新的集电环、碳刷, 然后清理碳刷架上的积尘, 用酒精擦拭积碳, 清理干净并安装好后再用兆欧表检查接地和相间绝缘, 达到要求方可重新开车试运行, 试运行2h后, 确认没有问题, 人员方可离开。

为了防止同样的事故再次发生, 电动机在不同的转速运行情况下, 我们反复测量电动机转子电压和电流, 结合当时的生产工况进行分析, 认为造成事故的原因在于:因普通绕线电动机在启动完毕后, 由水阻柜短接接触器将转子回路短接形成闭合回路, 所以在正常运行过程中转子回路电势很低 (20V左右) , 而且频率也较低, 即使滑环有积尘也不容易被击穿。而装了转子侧变频调速器后, 在转子回路里串入了频率较高的附加电势, 并且附加电势及频率随电动机转速改变作相应调整, 一般测得转子电势在300V左右, 长期运行后造成相间绝缘相对不够, 使得滑环相间短路起火, 集电环相间的铜螺杆上套的绝缘管绝缘变差后, 也会发生集电环相间短路烧熔事故。

3 预防措施

针对上述问题, 为了避免再发生设备事故, 我们做了相应的预防措施。

1) 选用绝缘、做工更好的集电环, 配上易磨性稍好的碳刷 (由J204改用J166) 一起使用, 特别是集电环上铜棒的绝缘管质量要好。在每次停机时仔细检查绝缘管的磨损情况, 每天巡查的时候都要测量滑环上的温度。

2) 由于这个调速柜安装在现场, 离电动机较近, 安装时没有专门提供220VDC的电源, 而是随风机的主控制电源220VAC用整流器进行整流, 变出220VDC供调速柜使用。因此遇到突然停电, 致使调速柜瞬间丢失220VDC电源, 而导致IGBT故障或烧坏。所以我们重新从配电室直流屏处接了电源220VDC给调速柜, 提高了设备的稳定运行。对调速柜上的风机经常检查, 防止因风机坏导致温度过高烧坏IGBT, 并定期清灰。