东芝三菱（tmeic） tmdrive‐mve2 高压变频器.pdf

1 / 22 东芝三菱（东芝三菱（tmeic） tmdrivemve2 高压变频器高压变频器 在本溪思山岭铁矿在本溪思山岭铁矿 1800kw/10kv 矿井提升机上的成功应用矿井提升机上的成功应用 洛阳中昶矿山机械有限公司 李羽，王清兰，李天喜 东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司 矿业事业部 曹永刚，邵贤强 201411 摘要：摘要： 矿井提升机是立井建设、生产过程中最重要的运输工具，提升系统的好 坏，不但直接影响矿井的生产，而且还影响矿井的安全和人身安全，是矿井建 设的关键设备。提升机系统里，最关键的部分是液压制动、电控系统和电机变 频驱动三大部分，而电机变频驱动部分是对电机原转子回路串电阻调速驱动系 统的升级换代，也是本文将要介绍的重点部分。本文详细介绍东芝三菱 mve2 系列四象限提升机专用高压变频器在本溪思山岭铁矿矿井提升机上的成功应 用。 关键词：关键词：提升机，提升机电控，高压变频器，东芝三菱（tmeic） ，洛阳中昶 2 / 22 一、 项目来源与矿井提升机对电控系统要求项目来源与矿井提升机对电控系统要求 1、项目来源、项目来源 湖南涟邵建工集团是本溪思山岭铁矿建设项目的总包方，建设两口主井， 井深均为 1500m，在矿建阶段，每口井需两台提升机同时作业，共需安装四台 提升机，其中两台为电机变频驱动系统，另外两台为电机转子串电阻调速拖动 系统。一期工程采用单滚筒缠绕式提升方式，容器为座钩式吊桶，减速机为行 星轮减速，异步电动机拖动。初期使用座钩式吊桶，当井深超过 800m 以后使用 底卸式吊桶。 工程所需的4套矿井提升机中， 3套由洛阳中昶矿山机械有限公司设计制造， 其中 2 套 4 米双筒提升机为高压变频调速电控系统，经多次方案论证后，洛阳 中昶公司决定变频器选用东芝三菱tmdrivemve2系列四象限高性能矢量型提升 机专用高压变频器。 2、矿井提升机对电控系统要求、矿井提升机对电控系统要求 1）根据提升工艺控制要求，电控系统应满足提升机的启动、运行、减 速、停车等控制过程，运行平稳可靠。 2）要求系统自动、手动、检修工作模式切换方便，以满足矿井提升控 制及各种联锁保护要求。 3）满足提升机的行程监控和位置闭环控制要求，具有完善的深度、速 度显示及变频控制功能。 3 / 22 4）要求系统能满足提升机频繁的正、反转运行状态切换特性；要求系 统加、减速性能好，特别是紧急停车速度快而平稳，变频系统急停时不允许直 流母线电压过高报警。 5）根据矿井提升机运行特点，变频系统应具有矢量型直接转矩控制功 能，要求低速启动转矩大，过载能力强。 6）安全保护及联锁功能 安全回路必须闭锁提升机的运行条件，只有当外部设备运行正常，具备开 车条件后，才允许提升机运转；安全回路应闭锁提升机的全部重故障保护信号， 故障一旦发生，提升机要立即实行紧急制动；对于提升系统出现的轻故障，允 许完成本次提升，待排除故障后，提升机方可继续运行。联锁和保护的基本项 目应符合煤矿与矿山安全生产的相关要求。 本次调试完成第 1 台提升机的工作。其中电动机选用兰州电机厂生产的矿 井专用线绕式异步电机。 电动机参数见下表： 电机型号 yr180010/1730 额定功率 1800kw 额定电压 10000v 额定电流 120.95a 额定转速 595r/min 功率因数 0.902 4 / 22 额定频率 50hz 类型 绕线式异步电机 减速机参数： 减速机型号 zzl1400 输入功率 1800kw 输入转速 595r/min 传动比 20 输出扭矩 1160knm 主机参数： 主机型号 2jkz4x2.65 卷筒直径 4000mm 卷筒宽度 2650mm 钢丝绳最大静张力 290kn 钢丝绳最大静张力差 255kn 钢丝绳直径 50mm 最大提升速度 6.23m/s 初期座钩式吊桶参数 容积 7m3 桶口直径 1830mm 5 / 22 桶口高度 2500mm 自重 2349kg 后期底卸式吊桶参数 容积 3m3 桶口直径 1630mm 桶口高度 2220mm 自重 1253kg 矿建阶段，吊桶不但要负担把挖井产生的砂石废料运到井上，还负责人员的运 输，所以整个提升系统的稳定可靠是最重要的。 6 / 22 二、 应用情况二、 应用情况 本溪龙新矿业有限公司思山岭铁矿主井工程位于辽宁省本溪市东南郊 16km，南芬区北 9km 思山岭村北侧。 地理位置如下： 根 据 主 机 参 数 和 提 升 工 艺 要 求 ， 东 芝 三 菱 （ tmeic ） 提 供 了 tmdrivemve22800kva/10kv提升机专用变频器， 该变频器具有四象限运行功能， 适用于矿井提升机类型负载， 具有 v/f 控制、 无速度传感器矢量和有速度传感器 矢量控制等多种控制方式。 7 / 22 mve2 提升机专用变频器根据工程情况可以做双机方式运行， 即 2 台变频器 驱动 1 台电动机，在提升机应用上可以做全载全速运行，也可以在某一台变频 器故障时做全载半速运行，大大提高了矿井提升机运行的可靠性。 变频器采用真彩触摸屏，触摸屏内置 9 种语言界面，可以完成变频器本地 启停控制，转速转向控制，可以设置功能和参数，可以显示运行状态和故障信 息等。电脑安装 tmdrivenavigator 软件后变频器通过网线可以和电脑连接， 可 以把变频器内部的各种曲线读到电脑上保存，并且可以把故障前 23 秒，故障后 226ms 的波形记录下来。 本溪铁矿项目采用的 tmdrivemve22800kva10kv 变频器的外形尺寸为： 700029401400mm（宽高深） ，其中高度含散热风机。变频器采用强迫 风冷散热，变频器室采用空调散热。变频器外形图如下图所示： 控制变换器柜变压器柜输入柜 cp1 右侧面图 xx 输出柜 正面图 变频器外形图 本溪铁矿项目现场采用日本欧姆龙的增量式旋转编码器，采用有速度传感 器的矢量控制，使低速控制特性更硬，低速运行更平稳。在低于 0.1m/s（换算 8 / 22 成变频器运行频率为 0.8hz 以内）运行时，转速非常平稳。 现场安装调试从 2014 年 10 月 25 日开始，到 11 月 6 日带重载调试完毕， 整个调试经过了变频器空载调试，变频器带空电机调试，变频器带空滚筒调试， 变频器带空吊桶调试及重载调试几个阶段，整个调试过程非常顺利。 滚筒挂绳过程中，提升机电控系统充分显示变频器拖动低速的平稳性；在 带重载调试时，为了模拟井深 800m 时最重的负载，变频器能否平稳提升，用户 采用挂双罐的方式来模拟重载，上罐装满渣土，然后再灌满水，增加重量，下 罐灌满水， 经过估算负载总重量在 17 吨左右， 略小于 800m 井深 18 吨负载的重 量，变频 plc 电控系统，在低速下平稳启动，上提下放多次，经过验证，变频 器具有启动转矩大，低速运行平稳等特征，且变频器保护全面、有效，变频器 皮实可靠。下面为部分现场图片。 9 / 22 图一 现场井架 图二 双桶重载试验 图三 绞车房全景 图四 mve2 提升机专用变频器 图五 双桶重载试验 图六 电控操作台 10 / 22 的图七 变频器人机界面 图八 电控操作界面 图九 电控显示转矩等曲线 图十 电控显示低速运行 图十一 重物提升时变频器内部参数曲线 11 / 22 图十二 重物下放时变频器内部参数曲线 12 / 22 三、 东芝三菱（三、 东芝三菱（tmeic） tmdrivemve2 提升机专用变频器简介提升机专用变频器简介 tmdrivemve2 高压变频器是东芝三菱（tmeictoshiba mitsubishielectric industrial systems corporation）在全球市场推出的最新的高压变频器产品，产品 涵盖 3kv11kv 电压等级，产品单机容量涵盖 180kva5000kva 功率段，是一款适 用异步电动机、高速同步电动机和低速同步电动机（即低速直联的应用）的性 价比极高的提升机专用高压变频器产品。 mve2 提升机专用高压变频器采用单元串联多电平电压源模式， 针对不同电 压等级，每相串联不同数量的单元，以 10kv 为例，每相串联 5 个功率单元，输 入为 igbt 整流，变频器的相电压输出为 21 电平，线电压输出为 41 电平，输出 电平数量超过其他单元串联多电平电压源方式的变频器，输出电压谐波含量更 低，dv/dt 更小，对电机的要求进一步降低。 图十三为 10kv 主电路机构图，每相串联 5 个功率单元，整套变频器仅 15 个功率单元，由于功率单元数量少，变压器可以和功率单元分开布置，大大增 加了现场布置的灵活性。 13 / 22 input transformer m r s t main circuit power supply 10kv 图十三 10kv 主电路结构图 图十四为功率单元电路结构图，功率单元采用对称结构的单相三电平 afe 整流、三电平逆变输出，afe 三电平整流使变频器输入功率因数为 1，整流和逆 变采用三菱的 igbt，滤波采用日本指月（shizuki）的自愈式金属薄膜电容，和 电解电容相比，金属薄膜电容是干式电容，性能稳定,耐过压能力强，对温度不 14 / 22 敏感，过压击穿后自恢复，是长寿命电容。 图十四 功率单元电路结构图 mve2 提升机专用变频器采用东芝专门开发的 32 位大功率电力电子 pp7ex2 专用处理器，使得变频器具有多种控制方式，适用不同特性的负载。高品质的 三菱电机 igbt 和日本原装自愈式薄膜电容的使用，使得变频器的可靠性大大增 强，变频器全面的保护，使变频器在各种复杂的应用中，都能快捷准确的保护。 mve2 提升机专用变频器具有多种通讯方式，使得变频器组网方便，简单易 用。 15 / 22 四、 洛阳中昶变频调速电控系统的特点四、 洛阳中昶变频调速电控系统的特点 1、电控系统特点、电控系统特点 本项目电控部分为洛阳中昶矿山机械有限公司设计的矿井提升机全数字变 频调速控制系统，系统采用国际知名品牌日本三菱公司 fx2n 系列 plc 和 tmeic 公司生产的 tmdrivemve2 提升机专用变频器组成，外部检测元件采用两套欧姆 龙旋转编码器，分别安装在设备的卷筒左侧轴端和电机右侧轴端，用以检测提 升机从不同位置反馈的速度信号，构成高压矿井提升机四象限变频调速闭环控 制系统。 提升机电控系统具有如下特点： 1）采用三菱 fx2n 系列 plc 进行提升全过程的逻辑控制，与传统电控系统 相比元器件数量大幅减少，可靠性大大提高。 2）采用两套 plc 对系统进行主从配置，冗余控制，完全取代磁放大器、继 电器等传统控制器件，具有两套完全独立的深度、速度检测，确保提升机电控 系统的关键控制环节如减速、速度包络线、过卷、超速等能实现双线保护，使 提升机整机的安全可靠性显著提高。 3）选用东芝三菱（tmeic）tmdrivemve2 系列 10kv 电压源高性能变频器， 单元采用 igbt 器件进行 pwm 整流，可再生制动，四象限运行，减速时可将电 机和负载的动能变成电能回馈给电网，无需制动电阻就可实现快速的减速和制 动，使提升机的加、减速过程平滑可靠，提高了设备运行的稳定性,节约了电能。 16 / 22 4）采用国际品牌欧姆龙旋转编码器和数字仪表控制提升高度和速度、液压 站油压、润滑油压等，欧姆龙旋转编码器进行系统采样和定点控制，使得深度 指示精确稳定，保护更加完善可靠。 5）tmeic 变频器的双闭环矢量控制技术，特别适合于矿井提升机的低速大 启动转矩的恒转矩负载，使提升机的电气传动功能更加安全可靠。 6）通过两套 plc 之间的串行通讯连接，实现了系统的网络化控制特点，极 大地减少了设备之间的连线数量，降低了安装接线成本。 7）系统对提升机的运行状态进行多画面实时监控，对系统故障做到准确显 示，实时报警，实现提升全过程的位置、速度监视，具备齐全的人机对话及记 录显示功能。具有历史记忆和故障记录功能。 2、变频器和电控系统连接方式 变频器和电控系统之间采用硬接线的方式连接，整个系统控制接线表如下： 变频器到 10kv 开关柜 序号 定义 类型 备注 1 变频器合闸允许 do 常闭有效 2 变频器故障跳闸 do 常闭有效 开关柜到变频器 序号 定义 类型 备注 1 开关柜合闸状态 di 常闭有效 变频器到 plc 电控系统 序号 定义 类型 备注 17 / 22 1 变频器就绪 do 常闭有效 2 变频器运行 do 常闭有效 3 变频器报警 do 常闭有效 4 变频器故障 do 常闭有效 5 电机转矩 ao 010v 对应 0150% 6 电机转速 ao 010v 对应 0100% 7 电机电流 ao 010v 对应 0125% 电控系统到变频器 序号 定义 类型 备注 1 变频器正向启动/停机 di 常闭有效 2 变频器反向启动/停机 di 常闭有效 3 变频器紧急停机 di 断开有效 4 变频器速度给定 ai 010v 对应 0100% 变频器到编码器 序号 定义 类型 备注 1 +5v 2 gnd 3 a 4 a 5 b 6 b 18 / 22 7 z 8 z 注：以上信号方向定义均以变频器为准。 3、电气主控系统部分 plc 原理接线图 电气主控系统 plc 部分功能原理接线如图 16、17 所示。 com1 fx2n-16ex(1#) 24+ x0 fx2n-16ex(2#) x1 x2 x4 x3 x5 x6 x7 x0 x1 x2 x4 x3 x5 x6 x7 x0 x1 x2 x4 x3 x5 x6 x7 24+ -ka13.2 -ka02.1 -ka02.2 487 488 489 413 413 -ka02.0 500 511 -sb2.2 x070 411 连接至plc2 x0 x1 x2 x4 x3 x5 x6 x7 高压变频 d06 d07 +bp d08 d09 d010 xh1 xh2 x101 x102 x103 x104 x105 xh3 xh4 xh5 现场信号 x071 x072 x073 x074 -1kh s201 -2kh s202 -3khs301 -4kh s302 +l +l x106 xh6 fx2n-4ad v+ 24+ 24- v- v- v+ v+ v- v+ v- a06 413 411 高压变频(+bp) va06- va05+ va05- va04+ va04- +- a05 +- a04 +- （转矩）（频率） （电流） va06+ （0-10vdc） 图十五 主控 plc 系统部分信号接线原理图 上图中 fx2n16ex 为主 plc 输入扩展模块。 由于主控 plc 输入点不够用， 本 系统中扩展了 2 个输入扩展模块，主要用于连接变频器的数字输出接口信号， 例如高压变频器发出的准备就绪信号，允许高压合闸信号，变频运行、变频故 障信号等。此外，还有液压油温过高、油温过低，润滑油温过高、过低信号等。 plc 根据油温高低限信号， 自动控制液压站、 润滑站的油温度满足系统工艺要求。 图十五中的 fx2n4ad 为模数转换模块， fx2 n 一 4 ad 中 4 表示 4 个通道， a 表示模拟量，d 表示数字量，就是将模拟量转换为数字量，4ad 的电源借用主 19 / 22 plc 的 dc24 v 电源，4 个通道分别为 ch 1、ch2、ch 3、ch4。它将变频器传来 的力矩信号、频率信号、主机电流和母线电压这些模拟量信号进行变换后，以 数字量形式存入 plc 内存的数据存储单元中，通过软件处理标定量程后送入上 位机显示。在本系统 a/d 转换中各模拟输入通道分配如下： ch 1 设置为电机转矩信号； ch2 为变频器输出频率信号； ch3 为电流信号(即工作电流)； ch4 为变频器母线直流电压信号。 图十六为 plc 的输出接线图。从图中可看出 y30 为变频器运行/停止信号， 接变频器的运行命令端口。y32 接正、反向控制端，当 y32 输出”1”电平时变频 器反向运行，y32 为“0”电平时变频器正向运行。y34 为紧急停车命令。其他 输出如 y1y2y3 分别为开车信号、蜂鸣器报警输出和电铃报警输出信号。 a b y2 y3 y4 y5 y6 y7 y20 y21 y22 y23 y30 y31 y32 y33 com2 com5 com6 com1 (plc2)fx2n-80mr-001 y1 411 401 605 24+ com y0 y34 y36 y35 y37 607 609 615 fu2 641 643 645 647 ka2 ka3 ka4 ka6 ka15 ka16 ka17 ka18 tmeic -mve2变频器 +bp px01 px02 px03 px04 px05 comm tb1-2 t-12t-14tb1-4 611ka5 601 图十六 主控 plc 系统输出部分接线图 y20y23 为 g3、g4、g5、g6 电磁阀控制端，当系统出现重故障时 y20、 20 / 22 y21 输出为“0”电平，y22、y23 视吊桶位置确定输出状态。 4、指示仪表 pf: 频率表，指示变频器输出的当前工作频率，指示范围为 060hz。 pa1: 毫安表，检测比例阀放大器线圈工作电流的大小，它直接反馈闸控系 统制动压力的大小，是系统监视的一项重要参数。最大指示范围为 0750 毫安。 pa2: 主机电流表，指示变频器输出主回路电流的大小。 pv: 10kv 电压表。监视供电系统的供电电压正常与否。 21 / 22 五、结论：五、结论： 1. 根据提升机的运行特点，选用东芝三菱（tmeic）mve2 提升机专用高压变频 器对矿井提升机进行调速，完全满足提升机频繁正、反转启动特性及过 载冲击要求。启动、停车及加、减速平稳。 2. mve2 系列高性能变频器采用 igbt 器件 pwm 整流，减速时可将电机和负载 的动能变成电能回馈电网，使提升机的加、减速过程平滑可靠，提