Honeywell高压变频器在矿山运输机上的应用

Honeywell高压变频器在矿山运输机上的应用

长距离 运输机 10kV变频器

1 引言

本文主要介绍的问题是：矿山运输机驱动方式的比较，经过实际使用总结，对驱动方式的选择给出了建议。

本高压变频器应用于陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司某矿井运输机上，其设备的主要参数为：

带长L=1152m;

运量Q=4000t/h;

井深H=120m;

角度α=0~15o

带宽B=1800mm;

胶带ST=2500N/mm；

驱动电机功率为2×900kW，10kV，双驱动。

2 几种运输机驱动方式的比较

2.1 CST软启动

2.1.1 优点

（1）主电机可实现分时空载起动，对电网冲击小；

（2）可以实现多台驱动电机之间的功率平衡；

（3）完全可调节起动速度斜率，软起动、软制动性能良好；

（4）起动完成后，在正常运行带速时，滑差消耗较小，效率较高；

（5）有防爆产品，不存在防爆问题；

（6）可实现可控停车；

（7）体积较小，占地较少，大功率传动国内使用较多。

2.1.2 缺点

（1）存在滑差损耗，须配套可靠的热交换设备；

（2）在功率平衡时要求主驱动与从驱动间具有差转的区别；

（3）采用中间驱动时，头部驱动站与中间驱动站之间较难实现功率平衡；

（4）低速运行发热量大，难实现长时间慢速验带；

（5）使用维护较复杂，运行成本较高。

2.2 变频软启动

2.2.1 优点

（1）可以实现多台驱动电机之间的功率平衡；

（2）可调节起动速度斜率，软启动、软停止性能良好；

(3）采用矢量控制能实现1.5倍的重载起动；

(4）电机＋减速器＋驱动滚筒的驱动方式，占地最小；

(5）可根据负载大小调速，节能效果明显；

(6）响应速度快，控制精度高；

(7）调速性能好，可以10%～100%的任何速度长期带载运行，能实现长时间慢速验带；

(8）采用变频驱动时，主电机以额定电流同时起动，启动电流可以控制在额定电流内，

对电网没有冲击；

(9）不同类型的变频器的谐波影响程度不同，但是采用多电平串联结构的10kV变频器，整流48脉冲，逆变侧17电平，无需滤波器，谐波含量优于国际标准IEEE519-1992和国家标准GB/T14549-93标准。

2.2.2 缺点

高压（10kV）变频器目前无防爆产品。

2.3 VOITH调速型耦合器软启动

2.3.1 优点

（1）主电机可实现分时空载起动，对电网冲击小；

（2）可以实现多台驱动电机之间的功率平衡；

（3）可调节起动速度斜率，软起动性能良好，启动时间能够控制到几分钟；

（4）有防爆产品，不存在防爆问题；

（5）运行维护简单。

2.3.2 缺点

（1）驱动单元体积较大；

（2）动态响应速度慢，功率平衡精度低；

（3）存在滑差损耗，总体效率较低，须配套可靠的热交换设备；

（4）难以实现长时间慢速验带；

（5）大功率驱动国内较少使用；

（6）系统环节较多，结构相对复杂，运行维护成本较高，备品备件的提供需要进口。

2.4 三种驱动方式的特性比较

以上 三种驱动方式的特性比较如附表所示。

通过以上比较，从实现验带功能、实现头部驱动和中间驱动功率平衡、功率平衡精度、节能、初期投资、后期维护等方面看，变频驱动有着明显的优势。

下面介绍的是为带中间驱动的长距离主斜井运输机如何选择变频器。

3 变频器的选型

3.1 选型

现场电机为2×900kW，10kV，现场供电为10kV，考虑设备的通用性，我们直接选

择了上海澳通韦尔电力电子有限公司生产的Honeywell品牌Solid Drive系列功率单元串联的高压变频器，型号为SolidDrive 10/10-900，其拓扑图如图1所示。

图1 功率单元串联的10kV变频器拓扑图

功率单元串联的10kV变频器是高-高式电压源型变频器，是把干式移相变压器和功率单元设计在一起的变频器。输入电压：10kV，输出电压：0~10kV。整流侧48脉冲。

3.2 可靠性

（1）结构

主回路结构简单明了，没有附加的输入输出滤波器、 功率因数补偿装置、升压变压器等附加电路设备。

（2）功率器件

采用广泛使用、驱动简单可靠的IGBT功率器件；

内部一体式干式移相变压器，绝缘等级为H级。

（3）外部电源波动对变频器的影响

外部电源可下降至40%，变频器仍可运行，变频器输入电源丢失5个周期，变频器仍然能够正常工作。

（4）冗余手段

可选择快速功率单元旁路选件，采用中心点漂移技术，83% 功率单元正常时，可以得到86％额定输出电压；

对于10kV系列产品，采用中心点偏移的功率单元技术，在一个功率单元出现故障的情况下，输出电压能力（也对应于功率）为91.7%，Honeywll品牌Solid Drive-10kV系列产品其输出能力为11kV，所以在任一个功率单元出现故障的情况下其输出电压能力为11kV×91.7%=10.08kV>10kV还能输出满载。

3.3 输入、输出波形

输入电流波形与整流形式有关，该变频器10kV整流电路脉冲数为48脉冲，47次以下谐波自动抵消，输入谐波远远小于规定的标准，在不用滤波器情况下, 谐波含量一般在2%左右，优于IEEE519-1992国际标准和GB/T14549-93国家标准，不会对电网产生影响。

3.4 不同整流结构输入电流谐波失真的比较

（1）脉冲电压源加 2.5% LR 40%

（2）6脉冲电流源加 2.5% LR 30%

(3) 12脉冲电流源加 5% LR 15%

(4)12脉冲电压源加 5% LR 9%

(5)18脉冲电流源输入 4%~5%

(5)单元串联多电平变频器（6cells/ phase） <2%

10kV单元串联多电平变频器输入波形如图2所示。

图2 10kV功率单元串联变频器输入波形

影响输出波形的因素包括输出谐波、dv/dt、共模电压等指标。变频器输出波形与变频器逆变器的结构密切相关。变频器输出波形对电机的影响：输出谐波会引起电机的附加发热和转矩脉动；输出dv/dt和共模电压会影响电机的绝缘。

功率单元串联的10kV变频器输出的波形与正弦波非常相似，而且dv/dt幅值小，变压器吸收了90%的共模电压，所以不必设置输出滤波器，就可以使用普通国产异步电机（要有强制风冷）。

3.5 输入功率因数

如图3所示，变频器输入功率因数主要与变频器中间直流环节(电压源型或电流源型)有关。电压源型直流环节为电容，电机需要的无功电流由电容提供，而不需要和电网交换，变频器输入功率因数高，在整个速度范围段内基本保持不变。功率单元串联的10kV变频器是电压源型变频器，输入功率因数大于0.95。

图3 输入功率因数曲线

附表 三种驱动方式的特性比较

4 关键问题及适用性

长距离主斜井运输机采用变频驱动方案所需解决的关键问题以及功率单元串联的

10kV变频器的适用性。

（1）恒转矩负载

功率单元串联的10kV变频器采用矢量控制，控制精度高，响应速度快，适用于运输机恒转矩负载。

（2）能满足重载启动

单台变频器功率900kW，起动转矩可以达到额定负载的150%以上，能满足运输机重载启动的工艺要求。

（3）电缆长距离传输

影响变频器输出侧电缆长度的一个主要指标就是变频器的dv/dt，功率单元串联的10kV变频器dv/dt幅值小。变频器与电机之间的输出电缆可在3000m以内，不加任何滤波装置(如：输出电抗器、正弦波滤波器)。

（4）轴编码器的选择

采用无速度传感器矢量控制技术，速度稳态精度可达到0.5%。现场实践证明，不需增加轴编码器，就能满足皮带运输机工艺对速度精度的要求，所以推荐使用无速度传感器矢量控制方式。

（5）可使用国产防爆电机

功率单元串联的10kV变频器输出的波形与正弦波非常相似，而且dv/dt幅值小，变压器吸收了90%的共模电压，所以可以使用普通国产防爆异步电机。在国内大部分应用中都是10kV旧国产电机，其中很多绝缘等级都是B级，从功率单元串联的10kV变频器应用的情况看，没有对电机产生危害。

（6）与控制系统的接口

该变频器带有MODBUS485/PROFIBUS通讯接口和以太网接口，可以将功率因数、输出频率、输出电压等参数通过通讯接口传送至PLC或DCS。同时有数字量输入输出、模拟量输入输出接口，可方便地供控制系统使用，完全满足皮带运输机工艺控制的需要。

山西金海洋伍家沟主斜井运输机、山西晋兴斜沟矿主斜井运输机、山西西山矿务局东曲矿主斜井运输机、新疆神新集团乌东矿主斜井运输机、宁煤清水营矿主斜井运输机等都选用了功率单元串联类型的高压变频器作为驱动方式，应用效果都好。

5 结束语

陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司某矿井运输机900kW/10kV，在采用单元串联Honeywell SolidDrive变频驱动近一年的时间里，没有一次故障，运行可靠稳定，因其较高的性价比获得了用户多方面的认可。功率单元串联的10kV变频器，采用无速度传感器矢量控制，很好地就解决了带中间驱动的长距离运输机面临的关键问题，其技术指标和优越的性能必将成为主斜井运输机驱动方式的潮流和首选。

我们在使用10kV变频器时，还要注意变频器的环境温度、通风、接地和控制系统的接口，功率平衡的实现等一系列实际问题，结合运输机工艺特点发挥好变频驱动的优势，

既能极大地满足工艺的要求，也能起到调速节能的效果。

邱钏

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