摘要：本文介紹了風(fēng)光牌高壓提升機變頻器在煤礦副井上的應(yīng)用情況，對節(jié)能效果進行了分析。由于礦井提升機對轉(zhuǎn)速精度及加減速度要求較高，必須采用高精度變頻調(diào)速系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器 提升機 能量回饋
Abstract:The article introduces the application instances of FengGuang high inverter in mining hoist,and analyses the power-saving effect.High precision variable-frequency adjustable speed system should be adopted because mine hoist requires high-precision rotate speed and acceleration or deceleration.
Key Words: High inverter Mining hoist Energy feedback
1 引言
山西蘭花煤炭實業(yè)集團有限公司唐安煤礦，是蘭花公司屬下一個前景廣闊的現(xiàn)代化礦井。該分公司前身唐安煤礦，始建于建國初期，組建蘭花集團前，屬高平市市營煤礦?，F(xiàn)占地面積55萬平方米，井田面積29.95平方公里，屬沁水煤田腹地，地質(zhì)儲量3.39億噸，工業(yè)儲量2.23億噸，可采儲量1.37億噸。年生產(chǎn)能力150萬噸。
礦井提升機是煤礦的關(guān)鍵設(shè)備，它肩負著井上井下的物體運輸 的重任。礦井提升有主井提升和副井提升之分，主引提升的作用是沿井筒提升有益礦物（如煤炭等），副井提升的主要作用是沿井筒提升矸石、下放材料、升降人員或設(shè)備等。礦井提升機在整個煤礦生產(chǎn)中占有重要的地位。因此，要求礦井提升機拖動系統(tǒng)具有安全可靠，運行高效且定位準確的能力。
礦并提升機作為礦山最大的電氣設(shè)備之一，其耗電量占礦山總耗電量的30%—40%，并且運行特性復(fù)雜，速度快，慣性大，一旦提升機失去控制，不能按照給定速度運行，就可能發(fā)且超速、過卷等重大安全事故，造成設(shè)備損壞甚至人員傷亡，給礦山帶來重大人事和財產(chǎn)損失。因此礦井提升機的電控系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性直接影響煤礦的安全生產(chǎn)。
原副井提升機系統(tǒng)采用交流電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，由于該系統(tǒng)調(diào)速精度低，可靠性差，維護費用大，蘭花集團唐安煤礦領(lǐng)導(dǎo)通過考察國內(nèi)用戶現(xiàn)場使用提升機變頻器的情形后，決定選用新風(fēng)光JD-BP37-280T型（280KW/6KV）高壓提升機變頻器，對副井提升機系統(tǒng)進行系統(tǒng)改造。
2原礦井提升機系統(tǒng)概述
2.1系統(tǒng)參數(shù)
2.1.1礦用提升機
2.1.2減速器
2.1.3三相異步電動機（江西電機廠）
2.2交流電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)
在加速過程中，交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4逐級吸合，轉(zhuǎn)子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。如果要求電動機低速運行，則需在轉(zhuǎn)子回路串較大電阻。為了解決減速段的負力要求，通常采用動力制動方案，即將定子側(cè)的高壓電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施加低頻電源，讓電動機工作在發(fā)電伏態(tài)。
這種拖動方案存在的問題是：
（1）開環(huán)有級調(diào)速，加速度難以準確控制，調(diào)速精度差；
（2）觸點控制，大量使用大容量開關(guān)，系統(tǒng)維護工作量大，可靠性差；
（3）運行效率低，在低速時大部分功率都消耗在電阻上；
（4）電機的機械特性偏軟，一般電阻上消耗的功率約為電動機輸出功率的20%—30%；（5）接觸器經(jīng)常吸合與斷開，噪音比較大。
雖然這種調(diào)速方案控制方式簡單、初期設(shè)備投資較低，但技術(shù)性能和運行效率低，許多中小礦井的提升機仍采用該種調(diào)速方案。
3高壓提升機變頻器系統(tǒng)原理
3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
JD-BP37系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6KV系列有18個功率單元，每6個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。
3.2功率單元電路
每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其主電路結(jié)構(gòu)有圖2所示，為基本的交-直-交雙向逆變電路。圖中通過整流橋進行三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓，通過對逆變塊B中的IGBT逆變橋進行正弦PWM控制實現(xiàn)單相逆變。當(dāng)電機進入發(fā)電狀態(tài)后，逆變塊B中的二極管完成續(xù)流外，又起全波整流，使能量能夠轉(zhuǎn)移到濾波電容中，結(jié)果母線電壓升高，達到一定程度后，啟動逆變塊A，進行SPWM逆變，通過輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過變壓器將能量回饋到電網(wǎng)。
3.3輸入側(cè)結(jié)構(gòu)
本機中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成36脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低。實測在90%-105%額定輸入電壓額定電流下，輸入電流總相對諧波含量小于4%。
另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。
3.4輸出側(cè)結(jié)構(gòu)
輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到如圖3所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應(yīng)力。
3.5控制器
控制器核心由高速32位數(shù)字信號處理器（DSP）運算來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。人機界面提供友好的全中文 WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。內(nèi)置PLC控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊需要，增強了系統(tǒng)的靈活性。
數(shù)字信號處理器（DSP）相對于模擬信號處理有很大的優(yōu)越性，表現(xiàn)在精度高、靈活性大、可靠性好、易于集成、易于存儲等方面。傳統(tǒng)的模擬信號處理技術(shù)正由全新的數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP）所代替。DSP是面向高速重復(fù)性數(shù)值運算密集型的實時處理。高性能DSP不僅處理速度快，而且可以無間斷的完成數(shù)據(jù)的實時輸入與輸出。DSP結(jié)構(gòu)相對單一，普遍采用匯編編程，其處理完成時間的可預(yù)測性要比結(jié)構(gòu)和指令復(fù)雜、依賴于編譯系統(tǒng)的普通微處理器強的多。它可以單周期完成這些乘加并行操作，而普通微處理器需要至少4個指令周期，因此在相同的指令周期和片內(nèi)指令緩沖條件下，是普通微處理器運算速度的4倍以上。
另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場培訓(xùn)，增強了系統(tǒng)的可靠性。
3.6 控制電源
控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設(shè)備各點的波形與加高壓情況基本相似，給整機可靠性、調(diào)試、培訓(xùn)帶來了很大方便。
系統(tǒng)采用三次諧波補償技術(shù)提高了電源電壓利用率，利用了調(diào)制信號預(yù)畸變技術(shù)，使電壓利用率近似于1。系統(tǒng)還采用了先進的載波移相技術(shù)，它的特點是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯(lián)后的總輸出波形失真特別小。多個單元迭加后的理論輸出波形如圖4所示（圖中是六單元疊加）。
3.7 基本控制功能及特點
3.7.1 直流制動
本提升機用變頻器，直流制動對提升系統(tǒng)的安全運行起到重要作用，當(dāng)重車在中間停車時，PLC檢測到停機信號后給控制器發(fā)出信號，讓提升機由高速平滑地降到低速，然后由控制器發(fā)出直流制動信號，使提升機停止，待PLC檢測到機械制動起作用的信號后，PLC發(fā)出信號讓控制器去掉直流制動信號，使提升機靠機械抱閘一類的裝置起作用。啟動時，先對提升機施加一直流制動信號，PLC檢測到機械抱閘信號后發(fā)出信號給控制器去掉直流制動信號，然后由控制器加上啟動電壓讓提升機開始轉(zhuǎn)動。機械抱閘狀態(tài)一直在PLC的監(jiān)控下，一旦機械抱閘打開，馬上給電機施加直流信號，確保重車不下滑。直流信號是以PWM方式向電機的某一繞組施加一定占空比的直流脈沖，使電機磁場維持在一恒定方向不變，對運動中的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動力矩。
3.7.2運行速度的控制
為了減少運行過程中的機械沖擊，在提升機啟動和停止過程中，做到加速度連續(xù)，因不同的頻率，對應(yīng)不同的加減速速率，在本裝置的控制中，將不同頻率時的加減速速率規(guī)劃成一個表格，運行中用查表的方法確定對應(yīng)頻率時的加減速速率，使提升機平滑運行，減少機械沖擊。
3.7.3自動限速保護
在運行到終點時，由限速開關(guān)給出減速信號，PLC檢測到減速信號后發(fā)送給控制器，由控制器啟動自動減速程序，使工作頻率按設(shè)定要求逐步變?yōu)榈退龠\行。提升機帶有測速發(fā)電機，當(dāng)測速發(fā)電機給出超速信號，PLC檢測該信號發(fā)送給控制器，進入自動減速運行。
3.7.4再生能量處理
再生能量通過功率單元來處理，見圖5所示。電機處于發(fā)電狀態(tài)，功率單元母線電壓Vbus升高，當(dāng)母線電壓超過電網(wǎng)電壓的1.1倍時，CPU根據(jù)比較器和相位檢測的結(jié)果輸出六路SPWM波形，使逆變塊A中的IGBT工作，通過輸入電感，電動機的再生能量最后通過移相變壓器回饋到電網(wǎng)，裝置充分利用了移相變壓器對諧波的抵消作用，具有對電網(wǎng)無諧波污染、功率因數(shù)高、控制簡單、損耗小,返回到電網(wǎng)諧波小于5%。
注：1 對高壓變頻器而言，輸入電流諧波和輸出電壓諧波是關(guān)鍵指標，這兩項指標經(jīng)國家權(quán)威部門的檢測，均達到國標GB/14549-93和國際IEEEStd519-1992的標準。
2 國家權(quán)威部門的檢測共有17項，全部合格，檢測日期是2002年11月。
3 國家權(quán)威部門天津發(fā)配電及電控設(shè)備檢測所和國家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心。
4現(xiàn)場試驗情況及運行性能
4.1負載特性試驗
由于副井絞車提升負載情況比較復(fù)雜，因此，在調(diào)速階段進行了多種試驗，以檢驗變頻器的性能。
4.1.1爬行速度試驗
全程速度為0.25m/s，運行平穩(wěn)。
4.1.2提升常規(guī)物料試驗（如沙子、水泥、矸石）
全速提升或下放，起車加速階段、等速、減速、爬行各階段運行良好。
4.1.3提升人員運行試驗全速提升或下放
在起車加速、勻速、減速、爬行等各階段運行良好。人員在罐籠內(nèi)乘坐時，加、減速階段重力增加和失重的感覺幾乎沒有，速度控制的各個階段運行感覺較為平穩(wěn)。
4.1.4重載試驗
（1）上提：試驗低速爬行的拖動能力。負載在井口時上提爬行速度約為0.15m/s；下放到井底后再次上提（重物在井底又增加了168×2米鋼絲繩約1噸重），采用合適的低頻補償量后正常起動，爬行速度約為0.15m/s。重物上提全程運行時間由通常負載的54s增加65s，原因是低速爬行速度在重載條件下，爬行速度有所下降（由0.25m/s降為0.15m/s），造成了運行時間比常規(guī)提升重量狀態(tài)下運行時間有所增加。重物上提速度為5.77m/s（頻率為50.3Hz）；下放速度為5.88m/s（頻率為49.92Hz）。
（2）下放：低速爬行、加速、勻速、減速整個過程很正常，符合要求。
重載提升（下放）試驗證明，變頻拖動系統(tǒng)提升力矩可滿足系統(tǒng)設(shè)計提升力矩要求。
4.2運行性能
（1）電流為雙向流動。
（2）抗擾性能強。在提升機的加、減速階段，直流電源電壓的最大動態(tài)降落或電壓超調(diào)不超過10%，擾動恢復(fù)時間不超過1秒。
（3）靜態(tài)功率因數(shù)穩(wěn)定，小于5%。
（4）交流側(cè)諧波電流小，符合IEEE519規(guī)定，小于4%。
（5）變頻器在啟動過程中，啟動電流小于1.3倍額定電流。
5結(jié)論
蘭花集團唐安煤礦副井采用我公司生產(chǎn)的高壓提升機變頻器調(diào)速以后，調(diào)速精度高，噪聲污染消失，操作也方便，深受現(xiàn)場操作工的歡迎；更重要的是絞車運行可靠，而且節(jié)電效果顯著，具有非常明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。
作者簡介：
張文勇 男 技術(shù)支持工程師，供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司。
常志恒 男 工程師 供職于蘭花集團唐安煤礦機電科，長期從事煤礦機電設(shè)備的研究與維護工作。
參考文獻：
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