低壓直聯同步拖動方案在提升機系統的應用

田志勇

(晉煤集團 沁秀龍灣能源有限公司，山西　晉城　048007)

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·技術經驗·

低壓直聯同步拖動方案在提升機系統的應用

田志勇

(晉煤集團 沁秀龍灣能源有限公司，山西晉城048007)

摘要目前，在大型提升機系統中廣泛采用基于中壓(3 150 V)的懸臂直聯同步拖動方案。但對于中小型提升機，由于成本、技術等因素的限制，仍然以異步電機+減速箱驅動方式為主。本文以晉煤集團龍灣煤礦副井提升機為例，介紹了中小功率提升機驅動方式的現狀，提出了低壓直聯同步驅動的解決方案，通過技術、經濟的比較，決定采用低壓(690 V)懸臂直聯同步拖動方案。這種新的拖動方式將成為今后中小型提升機拖動方式的發展方向。

關鍵詞中小功率；提升機；懸臂直聯；低壓驅動；低壓同步電機

山西晉煤集團龍灣煤礦是一對設計生產能力4.00 Mt/a的新建礦井，副井采用立井單水平開拓，設計兩套落地式多繩摩擦提升系統，分別是寬罐平衡錘提升系統和雙窄罐提升系統。其中寬罐平衡錘提升系統(電機功率2 500 kW，摩擦輪直徑5 m)驅動方式采用了目前廣泛應用的基于中壓的懸臂直聯同步拖動方案，但對于雙窄罐提升系統(電機功率1 500 kW，摩擦輪直徑3.5 m)，綜合考慮成本、技術等因素，驅動方式選用了在礦用提升機領域的一種最新技術：低壓同步直聯驅動技術，為新建項目中小功率提升系統提供了選型設計依據，同時，也為現有提升機系統進行節能降耗改造提供了最佳改造方案。

1中小功率提升機驅動方式現狀

中小功率提升機，通常是指電機驅動功率在1 800 kW以下的礦用提升機。

目前，中小功率提升機驅動方式涉及到兩個技術背景：一是礦用提升機機械驅動方式的方案選擇；二是直流拖動和交流驅動技術的比較和選擇。

1.1礦用提升機機械驅動方式比較

礦用提升機系統的核心運動部分是提升機卷筒，根據工藝要求，目前絕大部分提升機卷筒的轉動速度為40～60轉/min.

對于驅動單元電機來說，根據電機轉速的不同，以及電機與提升機卷筒的聯接方式的不同，礦用提升機機械驅動方式分為兩大類：一類是高速電機+減速機驅動(圖1)，另一類則是低速電機直接驅動(圖2).

圖1　高速電機+減速機驅動示意圖

圖2　低速電機直接連接示意圖

對于高速電機+減速機的連接方式，由于減速機的存在，這種方案客觀上存在傳遞效率有損失、系統控制動態響應相對差、減速機使用壽命有限、維護成本高等缺點。

對于低速電機直接驅動方式，由于從系統中剔除了減速機，從根本上消除了由于減速機帶來的一系列問題，因此，正在越來越多地被應用到低速驅動場合中。

1.2直流拖動和交流驅動技術的比較

直流拖動技術在電力電子技術的發展歷史中憑借其優異的調速性能曾經長期主導著拖動領域，成為工礦應用中首選的技術方案。

但是，直流系統由于拓撲原理的固有問題，也存在著一些難以解決的問題，例如:功率因數低、諧波大等。隨著國家、企業對電網質量、能耗效率等方面的要求越來越高，以及替換技術的成熟，直流拖動技術已經逐漸被取代。

與直流拖動技術相對比，目前交直交變頻驅動技術已經得到了廣泛的應用。根據使用場合的不同，有中壓交直交變頻驅動技術(3 150 V)以及低壓交直交變頻驅動技術(690 V).在礦用提升機應用中，中壓交直交變頻驅動技術已經在大功率提升機系統中成為主要解決方案。

1.3中小功率提升機驅動方式的現狀

對于功率大于1 800 kW的提升機來說，中壓交直交直聯驅動技術已經成為廣為接受的一種技術方案。而對于小于1 800 kW的應用來說，由于技術方案、性價比等原因，目前在選型過程中仍存在多種選擇：

1) 直流高速+減速機驅動方案。

這一方案于20世紀直流拖動系統開始應用，可以說是在中小功率提升機應用中最傳統的一種解決方案，也是最常見的一種設計方法。

但這一方案不論是從機械角度還是電氣角度，都存在一些缺陷，例如系統力矩傳遞損失大、維護量大、功率因數低、諧波大等。

2) 直流直聯低速驅動方案。

低速直聯驅動方案在機械驅動環節上有優勢，實現了機械系統的優化，同時，大功率低速直流電機無論在技術，還是性價比上也都能被市場所接受。

但是，在電氣驅動環節，仍然存在功率因數低、諧波大等問題，需要在電網側增加額外的補償和濾波裝置。在目前市場中，仍占有一定的份額。

3) 交流高速+減速機驅動方案。

在電氣驅動環節上，隨著交流變頻驅動技術的日益成熟，交流變頻調速的性能早已完全滿足低速大扭矩輸出應用的要求。同時由于交流變頻技術在功率因數、諧波等方面都遠遠優于直流系統，因此，越來越多的礦用提升機系統選用交流變頻技術作為電氣驅動的方案。

但是，與傳統的直流拖動系統相比，交流變頻驅動技術的成本更高，除了變頻器本身的成本較高，與之相匹配的交流同步電機價格也高。對于大功率提升應用來說，交流同步電機的性價比尚能被廣泛接受，但是對于 1 800 kW以下的中小功率提升應用來說，交流同步電機的性價比就是一個非常大的劣勢。

在這種情況下，通過權衡利弊，在電氣環節上選擇用交流變頻驅動方案，而在機械環節上選擇傳統的減速機驅動方案。

綜上，目前市場上對于1 800 kW以下功率范圍的礦用提升機系統，存在著在電氣驅動和機械驅動方式之間進行權衡的問題，很多設計院和最終業主會依據自己的投資預算，在這二者之間進行權衡選擇，但最終，難以做到二者兼得。

2低壓直聯同步驅動的解決方案

從2013年開始，一些國內外知名的電氣系統供應商針對中小功率低速大扭矩應用領域存在的問題，提出了一些解決方案。

2.1低壓交流同步電機

交流同步電機的造價是制約中小功率礦用提升機采用直聯驅動的一個重要原因。隨著制造成本的逐漸降低以及技術能力的提高，國內電機廠已經開始有能力設計和生產用于提升機懸臂直聯方案的特殊低壓同步電動機。

對于用于提升機的低壓同步電動機，電樞電壓690 V，額定轉速為40～60轉/min，滿足頻繁正反轉，負載—轉速非周期性變化的工作制度要求，具備2.2倍過載能力。

2.2適用于低壓同步電機的交直交變頻器

低壓交流變頻器技術已經非常成熟，但由于所驅動的是同步電機，需要勵磁。因此，與標準低壓交流變頻器相比，用于低壓同步電機的交直交變頻器除了在軟件中的電機控制算法有區別外，在硬件上需要增加同步電機勵磁控制單元。采用低壓同步電機的系統拓撲圖見圖3.

2.3全載半速應急功能

從圖3可以看出，這種系統在逆變單元和電機之間有1個連接切換柜。當2個整流單元，逆變單元或主變壓器中的任意1個不工作的情況下，把電機的2個原來分別由2個逆變單元所帶的定子繞組改為以串聯的方式連接起來，由可以正常工作的逆變單元驅動，進行全載半速運行。

這種應急工作方式與傳統直流拖動方案中的 12脈串聯所具備的全載半速功能是類似的。從這個角度來說，低壓交流直聯同步驅動方案不僅可以從根本上解決直流系統對電網污染高的問題，同時也可以繼承直流拖動方案方便實現全載半速應急運行的功能。

3方案性價比

在考察一項新技術時，除了考慮技術因素先進性以外，也必須要考慮這項技術的性價比。對這種技術從生命周期成本的角度進行評估。

生命周期成本包括從采購開始的一次投資成本，二次投資成本、能耗成本、維護運營成本等多個部分。

3.1一次投資成本比較

對于提升機驅動系統來說，主要影響上述技術方

案一次投資成本的因素包括電機、變頻器、減速機及附屬設備。由于電機已經國產化，價格低于相同功率直流電機的價格；而低壓交流變頻器的價格略高于直流拖動裝置；又由于低壓同步直聯方案不需要使用減速機及附屬設備，因此，從電機、變頻器、減速機等方面綜合來看，采用低壓同步直聯方案的一次投資成本與傳統直流驅動方案持平，甚至會低一些。

3.2二次投資成本比較

二次投資成本主要是指用于治理電網污染所需要追加設備的成本。由于企業電力自動化對電網質量的客觀要求，對于直流拖動系統，需要在上一級配電站配置功率補償及諧波治理裝置。而對于采用低壓交直交變頻驅動的系統，由于其功率因數幾乎為1，諧波僅限于國家規范規定范圍以外的高次諧波，因此，可以忽略用于治理該系統所需要追加的成本。

3.3能耗成本

與直流系統相比，交直交系統沒有無功損耗，而且直聯驅動方式不存在減速機力矩傳遞損失，因此，采用低壓直聯同步直聯方案的系統，在電耗方面比直流系統有著顯著的節能效果。

3.4維護成本

直聯驅動方案完全剔除了減速機及附屬裝置，系統的日常維護工作量以及維護成本非常低。

綜上可以看出，不論是從一次投資成本、二次投資成本，還是能耗成本、維護成本來看，低壓直聯同步方案都具有非常顯著的優勢。從性價比的角度來看，該方案也是非常值得采納的方案。

4結論

通過上述技術、經濟性的比較，低壓直聯同步方案均具有很多優勢。因此，在晉煤集團龍灣煤礦2#副井提升機項目上，最終決定采用該方案。這套提升機主機規格為JKMD 3.5×4，電機功率 1 500 kW，采用國產 690 V同步電機。

該項目是國內煤礦提升機領域第一套采用此方案的應用項目，也將成為今后中小型提升系統新驅動方式的開拓項目。

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[3]逯貴章，高儒.礦山機械[M].太原：山西科學技術出版社，1992：262-269.

Application of Low Voltage Direct Link Synchronous Driving Scheme in Mine Hoist System

TIAN Zhiyong

AbstractAt present in the large-scale mine hoist system an overhang direct link synchronous driving scheme based on medium voltage (3 150 V) has been widely used. But for small and medium-sized mine hoist, due to some cost, technical and other reasons, they still use asynchronous motor and gearbox driving as main solution. This paper takes the auxiliary shaft hoist in Longwan coal mine of Jincheng coal group as illustration, introduces the current situation of the driving mode of small and medium power hoist. Put forward the solution of low voltage (690 V) overhang direct link synchronous driving. Through the comparison of technology and economy, the solution is adopted. This new driving mode will become the future development direction of the small and medium-sized hoist drive mode.

Key wordsSmall and medium-sized power; Mine hoist; Overhang direct link; Low voltage drive; Low voltage synchronous motor

中圖分類號：TD534+.7

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2016)02-0020-03

作者簡介：田志勇(1973—)，男，山西晉城人，2005年畢業于太原理工大學，工程師，主要從事礦山機電技術及應用的研究(E-mail)ywqstzy@163.com

收稿日期：2016-01-12