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礦井提升直流電動機被列為限制類技術的對策研

作者： admin 編輯： admin 來源：admin 發布日期：2019-11-22 11:47

信息摘要：

礦井提升電動機直流調速系統結構復雜，維修費用高，電動機結構較交流電動機復雜，能耗高，因此，國土資發[2014]176號文件將礦井提升直流電動機列為限制類技術，僅允許在小型礦山

礦井提升電動機直流調速系統結構復雜，維修費用高，電動機結構較交流電動機復雜，能耗高，因此，國土資發[2014]176號文件將“礦井提升直流電動機”列為限制類技術，僅允許在小型礦山使用，并逐步淘汰。該文件為礦井提升機行業指明了發展方向，具有指導性和前瞻性。目前，在具體落實和執行該文件的要求方面還存在一些問題，需要積極解決，找到確實可行的對策，確保文件精神早日得到全面的貫徹和執行。

1礦井提升機常用電動機及其調速系統特點的比較

礦井提升機屬于恒轉矩負載類型，要求調速系統具有四象限可逆運行能力，在重物提升和正力減速過程中，將電能轉化為機械能以產生驅動力；在重物下放和負力減速過程中，將機械能轉化為電能回饋電網以產生電氣制動力，達到提升機四象限可控運行目的。直流電動機、交流異步電動機、低速同步電動機均能完成該任務，但各具特點。礦井提升機常用的電動機及其調速系統特性比較如表1所列。

礦井提升直流電動機被列為限制類技術的對策研究

晶閘管(Silicon Controlled Rectifier，SCR)與絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、集成門極換流晶閘管(Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT)、注入增強柵晶體管(Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT)相比，技術成熟早30~50年，國產化水平高，可靠性高。與IGCT一樣，IEGT也可作為變頻器的功率器件，如美國GE公司MV7000系列中壓變頻器，驅動低速鼠籠式異步電動機。因在我國提升機上未見應用，在此對IEGT和低速異步電動機不展開探討。

直流調速系統以SCR為功率器件，可靠性高，適合礦山使用環境，耐用。而且具有6/12脈動切換應急運行通道，正常時，12脈動實現全載全速運行，一旦有一組調速裝置出現故障，另一組調速裝置能夠6脈動應急提升，實現全載半速、全載全速或半載全速運行。該系統國產化水平高，備件和維修相對容易，運維成本較低，不足之處在于平均功率因數較低(通常小于0.84)。

直流電動機存在碳刷等消耗品，需要一定的維護量和備件，而且功率因數較低，這也是直流電動機被詬病的主要原因。但直流電動機的勵磁和電樞是徹底解耦控制，空輕載消耗主要為勵磁功率，通常約為電動機額定功率的5%，所以在副井使用更節能(副井提升負荷變化大，空輕載概率大)；交流異步電動機的勵磁分量和轉矩分量無法解耦控制，空輕載消耗較直流電動機大，適用于主井提升(主井提升負荷相對恒定，滿載居多)。

高、低壓變頻器以IGBT為功率器件。受制于IGBT當前的生產工藝水平，IGBT相較SCR在技術參數，特別是耐壓能力差距較大，因此，同等功率的調速裝置，變頻器(特別是高壓變頻器)所用的功率器件數量要比直流調速器多得多。因此，變頻器的可靠性暫時無法與直流相媲美，從這個角度上來說，提升人員的副井提升機仍然采用直流電動機及直流調速系統的現狀還會持續一段時間。

相較直流調速而言，變頻器主控單元與功率單元間的信號交換通過光纖進行，強電和弱電被嚴格隔離，因此，功率單元的損壞或故障，很少殃及主控單元，而且主控單元故障率通常極低，備件的重點在于功率單元，這也是變頻技術的優點之一。

2提升機調速系統分類

2011年1月27日，國家安全監管總局國家煤礦安監局關于發布禁止井工煤礦使用的設備及工藝目錄(第三批)的通知(安監總煤安[2011]17號)，明確規定“使用繼電器結構原理的提升機電控裝置(發布之日起2年后禁止使用)”。

2015年2月13日，國家安全監管總局關于發布金屬非金屬礦山禁止使用的設備及工藝目錄(第二批)的通知(安監總管一[2015]13號)，也明確規定“TKD型提升機電控裝置及使用繼電器結構原理的提升機電控裝置(金屬非金屬地下礦山自發布之日起一年后禁止使用)”。

事實上，隨著工業計算機和變頻技術的長足發展和成熟，落后的技術早已被市場淘汰或很少采用，如F-D(發電動機-電動機)直流拖動系統、模擬量直流調速系統、磁場可逆直流調速系統、繼電器-接觸器控制系統、轉子繞組外串電阻調速系統、串級調速包括轉子雙饋系統、同步機交-交變頻調速系統等。

目前，提升機電控系統的3個子系統主流配置為：PLC雙線制作為控制系統，全數字變頻器或直流調速器作為調速系統，上位工業計算機作為監控系統，各子系統間采用網絡連接，同時與礦山局域網、互聯網連接(有線或無線)，實現遠程監控、管理和服務；在全自動化運行的基礎上，加強監測監控和預維修等技術，礦井提升機可實現無人值守。

就調速系統而言，變頻的占有率在逐步上升，直流的占有率逐漸下降，變頻取代直流調速已成趨勢。在變頻技術中，交-直-交電壓型取代交-交或交-直-交電流型也已成趨勢。剔除上述已被淘汰、限制或很少被采用的技術外，目前，礦井提升機調速系統分類如圖1所示。

礦井提升直流電動機被列為限制類技術的對策研究

3應對措施

3.1高速異步電動機變頻方案的研究

沒有特指的情況下，交流異步電動機均為高速，必須通過減速器與提升主軸裝置進行聯接。受制于減速器極限功率和整體投資的性價比，單機額定功率通常在1 000 kW及以下，針對鑿井提升機，單機功率最大也不會超過1 600 kW。帶減速器的提升機僅限于中小裝機容量，原因還在于：①多一級減速器傳動，降低了效率；②大功率減速器生產加工困難，價格高；③因含有減速器，提升機占地面積大，如果是塔式提升機，基建費用增加更多。

我國礦井動力負載側供電電壓等級，地面通常為380 V、660 V、6 kV和10 kV，井下通常為660 V、1.14 kV、3.3 kV、6 kV和10 kV[9]。交流電動機的額定電壓通常與供電電壓一致，個別也可以不一致，如供電電壓為10 kV，電動機可以為6、3.3 kV等，只要確保變頻器的輸入額定電壓與供電電壓一致、輸出額定電壓與電動機的電壓相匹配即可。通常，按照變頻器輸出額定電壓等級來分，1.14 kV及以下稱為低壓變頻器；3.3 kV及以下稱為中壓變頻器；6 kV及以上稱為高壓變頻器。

對于新設備，高速異步電動機可以直接采用變頻電動機(鼠籠式)，能夠改善電動機的發熱并提高效率。對于技術改造，老設備多為繞線式電動機，采用定子變頻方案時，將三相轉子繞組短接，變頻器輸出與定子繞組相連；采用轉子變頻方案時，將三相定子繞組短接，轉子變頻器輸出與轉子繞組相連(轉子變頻僅適用于中小功率高壓繞線式電動機)。高速異步電動機的調速方案如圖2所示。

礦井提升直流電動機被列為限制類技術的對策研究

針對電壓等級為380 V和660 V，通常采用2電平低壓變頻器，1 140 V通常采用3電平低壓變頻器，6 kV和10 kV通常采用高壓變頻器。高壓變頻器分為功率單元級聯型式和主電路5電平型式(如ABB公司的ACS2000系列，目前僅適用于驅動高速異步機，輸出電壓等級為6、10 kV電壓等級未見有產品)。圖2(a)中，級聯型式高壓變頻器每相功率單元數量n為5~6個(針對6 kV)，或者為8~9個(針對10 kV)；主電路多電平型式，因在其橋臂上串聯多個功率器件，并且需要復雜的控制技術和箝位電路，風險較大，一旦有只功率器件被擊穿，可能引起雪崩效應，因此該結構型式的高壓變頻器較少，到目前為止，仍未見有此類驅動低速同步機的變頻器產品面世。

綜上所述，高速直流電動機可由高速異步電動機取代，直流調速系統由低壓變頻器或高壓變頻器取代，目前條件已具備，兩者性價比相當，交流更具有優點：交流電動機不需維護和備件，在主井使用更節能。隨著高、低壓變頻器模塊化及標準化水平的進一步提高，一旦出現故障，維修人員通過更換備件就可以在短時間內恢復生產，減少因故停產時間。

3.2低速同步電動機變頻方案的研究

交流同步電動機分為高速同步電動機和低速同步電動機，高速同步電動機不適合在提升機上使用，多應用于風機、水泵等其他類型的負荷中。與異步電動機相比，由低速同步電動機驅動的提升機業績相對較少，低速同步電動機驅動的基礎理論研究及技術產品水平仍然有較大的提升空間。

在這之前，低速同步機通常應用在大型提升機(裝機容量2 500 kW及以上)，隨著低速同步變頻技術的發展和價格降低，低速同步機逐漸在中型礦井提升機(裝機容量800~2 500 kW)推廣使用，數量呈現上升趨勢。

提升機發展方向仍然是低速直聯，甚至是內裝式(提升機卷筒和電動機合二為一，外殼當做卷筒驅動鋼絲繩，目前全球已有少量在用)。低速直流電動機如果被限制使用，低速同步電動機幾乎成了唯一的選擇(除了美國GE公司外，其他公司未見有制造和使用低速異步電動機案例)。

低速同步機的額定頻率由提升機卷筒直徑、額定速度和同步電動機極對數決定，一般在10 Hz及以下，與其他高速同步電動機(50 Hz)本質的區別在于爬行過程的運行頻率很低，要求低于0.5 Hz，甚至在0.1~0.2 Hz的頻率下滿載穩定運行，與其配套使用的低速同步電動機變頻器必須具有輸出低頻大轉矩的能力。在如此低頻率下運行，功率因數較低，諧波分量大，對功率器件而言是最惡劣的工作條件；要求低速同步機變頻器比一般變頻器具有更高的過載能力、選用更大規格的功率器件、能夠建立合適的電動機數學模型并具參數自學習和自適應能力，盡可能降低諧波分量及其影響，提高變頻器靜動態性能指標。

根據驅動方案的需要，低速同步電動機定子可以分為單繞組和雙繞組。

3.2.1單繞組低速同步電動機變頻系統

單繞組低速同步電動機變頻系統原理如圖3所示，驅動方案有3種。

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(1)中壓變頻器(IGCT型)，主電路為3電平結構，額定電壓等級為3.3 kV，水冷，如西門子公司SM150系列(單臺功率為10 MW)、ABB公司ACS6000SD系列(單臺功率為7、9或13 MW)。優點在于變頻器容量大，用于單電動機額定容量在2 500 kW及以上，能夠獲得較高的性價比，可靠性高、性能優越；缺點在于設備和備件價格昂貴，萬一出現設備故障，如果缺少備件和維修技術，可能造成長時間停機，因此適合于主井提升機選用。

(2)高壓變頻器，以IGBT作為功率器件，在驅動異步機的級聯式高壓變頻器的基礎上，增大變頻器功率等級并增加勵磁控制單元(針對他勵同步機)和低速同步機控制專用軟件，用于單電動機額定容量在800~2 500 kW范圍內，能夠獲得較高的性價比，設備和備件價格適中。如果出現故障，可將故障功率單元更換或旁路恢復運行。在旁路狀態下，能夠以不低于80%的額定速度全載運行，通常不會造成因故長時間停機，適合于中型裝機容量的主、副井提升機選用。根據容量大小，采用水冷或風冷方式。

(3)中壓變頻器(IGBT型)，主電路同樣為3電平結構，額定電壓等級為3.3 kV，如西門子公司SM150系列(單臺功率，風冷為3.4~4.6 MW，水冷為4.6~5.7 MW)，用于單電動機額定容量為1 500~3 000 kW，能夠獲得較高的性價比。

單繞組方案只需1套高壓或中壓變頻器，相較雙繞組而言，其優點顯而易見：設備整潔，造價相對低廉；單繞組電動機參數相對解耦，參數數量少，數學模型容易建立，各參數容易測量且準確，變頻器自學習相對容易，適應性強，調試周期短，調速動態性能優越。缺點在于，故障時無法通過簡單的切換完成當次提升，要通過更換備件或旁路(針對級聯型式)才能恢復運行，因故需要一定的停機時間。

3.2.2雙繞組低速同步電動機變頻系統

雙繞組低速同步機變頻系統原理示意框圖如圖4所示。驅動方案有3種。

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(1)2套660 V低壓變頻器并配置閉環矢量控制系統，如ABB公司的ACS800系列、西門子公司的S120系列。

(2)2套中壓變頻器(IGBT型)，如國產3電平變頻器、西門子公司SM150(IGBT型)。

(3)2套中壓變頻器(IGCT型)，該方案造價很高，不輕易推薦和采用，也沒有必要。

雙繞組方案需要2套變頻器驅動，優點是與直流6/12脈動切換功能相似，正常情況下，電動機2個繞組并聯運行，實現全載全速，一旦有一套變頻器出現故障，通過手動切換，將同步電動機的2個繞組串聯，由完好的那一套變頻器驅動，降頻降速運行，實現全載半速，因故停機時間短；每套繞組的容量相當于電動機額定容量的一半，每套變頻器的容量也相應減小，可以采用中壓、低壓IGBT型變頻器，克服了中、低壓變頻器(IGBT型)極限功率較小的缺點；針對交-交變頻進行技術改造，電動機無需更換，節省了費用和工期。缺點是軟硬件結構復雜，相對于單繞組設備造價更高；電動機的參數解耦相對困難，參數數量多且復雜，電動機數學模型建立和參數測量難度相對高，變頻器適應性差，調試相對困難，調速動態性能可能較差。

綜上所述，從發展和實用方面看，推薦單繞組方案，根據電動機額定容量，采用中壓變頻器或高壓變頻器，根據現場和變頻器情況，適當多備用一些功率單元，一旦故障發生，通過更換備件恢復運行，如果是高壓變頻器，還可以快速旁路故障的功率單元，以不低于額定速度的80%運行，通常可以將停機時間控制在20 min內。副井提升機故障當次，乘坐人員的不良感受能夠降到較低。

同等裝機容量下，電壓越高則電流越小，電動機和動力電纜的體積和質量相對較小，總體成本相對低廉，所以，電壓等級也是低速同步機及其變頻器選型關鍵參數之一。為了與我國礦井供電電壓等級相匹配，建議優先發展6 kV和10 kV電壓等級的低速同步機變頻器，包括功率單元級聯型式和主電路多電平型式。

根據上述應對措施，按照電動機的額定電壓等級和額定功率，目前，可供提升機調速系統選型的型譜如圖5所示。從圖5可以看出，高速直流電動機及其直流調速系統的替代方案有：低壓異步電動機+低壓變頻器、高壓繞線式電動機+轉子變頻器、高壓異步電動機+高壓變頻器。低速直流電動機及其直流調速系統的替代方案有：低速同步電動機+高壓變頻器、低速同步電動機+中壓變頻器(IGBT型)、低速同步電動機機+中壓變頻器(IGCT型)。

礦井提升直流電動機被列為限制類技術的對策研究