一、前言
龍煤集團(tuán)雙鴨山分公司集賢煤礦是一家從事煤炭開采多年的老礦，目前年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煤炭200萬噸。該煤礦的 主井提升機(jī)為雙筒式礦井提升機(jī)，滾筒直徑為3.5米，提煤容器為箕斗，提媒工藝如下示意圖：
該采煤提升系統(tǒng)為目前中小煤礦普遍采用，采用箕斗作為提升容器，一個箕斗在井底煤倉自動裝載后，被提升到地面卸載；另一箕斗由地面下降到井下煤倉處裝煤。
箕斗通過機(jī)房的雙滾筒帶動，機(jī)房雙滾筒采用兩臺800千瓦電機(jī)通過減速機(jī)拖動，電機(jī)的調(diào)速方式采用傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速方式，該調(diào)速方式屬于落后技術(shù)，存在以下缺點：
（1）大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上，造成了嚴(yán)重的能源浪費，同時電阻器的安裝需要占用很大的空間。
（2）控制系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)碳刷容易損壞，維護(hù)工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。
（3）低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現(xiàn)速度控制，特別是在負(fù)載發(fā)生變化時，很難實現(xiàn)恒減速控制，導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。
（4）啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)的使用壽命大大降低。
（5）自動化程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。
（6）低電壓和低速段的啟動力矩小，帶負(fù)載能力差，無法實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。
目前，變頻器調(diào)速系統(tǒng)作為當(dāng)前最先進(jìn)的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，越來越多的應(yīng)用于各種交流電機(jī)拖動場合，作為礦井提升機(jī)這種特殊行業(yè)、特殊負(fù)載，應(yīng)用的案例還比較少，尤其是針對高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，雙鴨山新立礦標(biāo)新立異，敢于創(chuàng)新，通過多加比對，考察，決定采用北京利德華福電器技術(shù)有限公司生產(chǎn)的能量回饋型高性能矢量控制變頻器對原系統(tǒng)進(jìn)行改造。
二、能量回饋型高性能高壓變頻器系統(tǒng)簡要介紹
北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的能量回饋型高壓變頻器屬于高性能具備矢量控制功能的新一代變頻器，廣泛應(yīng)用于礦井提升機(jī)、需要快速制動的風(fēng)機(jī)以及大型軋鋼機(jī)負(fù)載上，其基本組成為：激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜及控制柜。設(shè)備原理如上圖，現(xiàn)簡要說明：
1） 涌流抑制：變壓器在受電瞬間，會產(chǎn)生激磁涌流，該數(shù)值在正常額定電流的6到8倍左右，在電網(wǎng)容量較小的情況下，可能引起電網(wǎng)急劇負(fù)向波動，影響其他設(shè)備的正常運行。為了解決該問題，北京利德華福針對該場合運行的變頻器加裝了激磁涌流抑制柜，其主要組成部分為高壓電阻及真空接觸器，二者并聯(lián)。當(dāng)變頻器受高壓電瞬間，高壓電阻串入變壓器輸入回路，通過電阻的限流作用降低激磁涌流，減小電網(wǎng)的負(fù)向波動。延時兩秒鐘后，受變頻器控制系統(tǒng)控制，并接在高壓電阻的真空接觸器自動吸合，切除高壓電阻，變頻器投入正常運行。
2） 變壓器：該變壓器為移相變壓器。移相變壓器給每個功率模塊供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，根據(jù)電壓等級和模塊串聯(lián)級數(shù)，一般由24、30、42、48脈沖系列等構(gòu)成多級相疊加的整流方式，可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形（網(wǎng)側(cè)電壓電流諧波指標(biāo)滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。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） 功率模塊：功率模塊是變頻器中重要的組成部分，變頻器輸出側(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(jī)供電，通過對每個單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，對電纜和電機(jī)的絕緣無損壞，無須輸出濾波器，就可以延長輸出電纜長度，可直接用于普通電機(jī)。同時，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除負(fù)載機(jī)械軸承和葉片的振動。對于能量回饋變頻器的功率模塊，其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，功率單元的輸入部分不再是整流二極管，而是可控的開關(guān)器件（IGBT），并在每個功率模塊中加裝電流檢測裝置，通過對輸入部分IGBT的控制，實現(xiàn)電流的雙向流動，從而實現(xiàn)變頻器的四象限運行功能。當(dāng)某一個功率模塊出現(xiàn)故障時，通過控制使輸出端子短路，可將此單元旁路退出系統(tǒng)，變頻器可降額機(jī)械運行；由此可避免很多場合下停機(jī)造成的損失。
需要說明的是，上述所有功能的實現(xiàn)，均由變頻器的大腦——主控系統(tǒng)來實現(xiàn)，北京利德華福變頻器的主控系統(tǒng)大體由高速單片機(jī)處理器、人機(jī)界面、PLC組成。單片機(jī)處理器利用公司具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)矢量控制技術(shù)，通過光纖通訊的方式對每個功率單元進(jìn)行PWM控制。人機(jī)操作界面解決高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)本身和用戶現(xiàn)場接口的問題，提供友好的全中文監(jiān)控界面，使用方便、快捷，同時可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。內(nèi)置PLC則用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊需要。
三、改造方案
原有的串電阻調(diào)速方式繼續(xù)保留，通過切換開關(guān)將高壓變頻器融入到原系統(tǒng)，保證兩個系統(tǒng)操作的相對獨立性。當(dāng)變頻器投入運行時，閉合QS3、QS4，通過轉(zhuǎn)子切換柜將繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子短接，則變頻器投入礦井提升機(jī)系統(tǒng)，變頻器接受主控臺指令正、反轉(zhuǎn)及調(diào)速指令，驅(qū)動雙電機(jī)同步調(diào)速正反轉(zhuǎn)運行；當(dāng)原有串電阻調(diào)速系統(tǒng)投入運行時，QS5、QS6 閉合，通過轉(zhuǎn)子切換柜將原有電阻串入繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路，通過切換柜的變向及串入轉(zhuǎn)子電阻的逐級切換，達(dá)到變向及調(diào)速的目的。上圖中的QS3、QS4、QS5、QS6 等隔離開關(guān)相互之間保持機(jī)械互鎖，且開關(guān)狀態(tài)全部納入主控臺操作系統(tǒng)，這樣，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以和原系統(tǒng)互為備用，增加礦井提升機(jī)運行的可靠性。變頻器本體部分說明如下：
1）高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平拓補結(jié)構(gòu)，輸入諧波小，功率因數(shù)高；
2）高壓變頻器為可以四象限運行的能量回饋型變頻器，采用最先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，加速時可以實現(xiàn)最大的轉(zhuǎn)矩輸出，加速時間縮小至最短，而減速時，可以控制電機(jī)在四象限運行，輸出制動轉(zhuǎn)矩，減速時間縮至最短，同時，將勢能轉(zhuǎn)化為電能，回饋至電網(wǎng)，從而達(dá)到節(jié)能的目的；
3）考慮到礦用電網(wǎng)容量較小，變頻器配備激磁涌流柜，在變頻器送電初期，將激磁涌流抑制電阻投入主回路，延時兩秒后，通過自動切換回路，切除激磁涌流抑制電阻，通過此種技術(shù)方案，降低變壓器激磁涌流，保證變頻器瞬間投入時不對電網(wǎng)造成電壓波動；
4）單臺變頻器直接拖動兩臺電機(jī)，簡化控制手段，降低故障風(fēng)險。
四、變頻器在礦井提升機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用
上圖為雙鴨山集賢煤礦立井雙箕斗提升系統(tǒng)主要組成部分，系統(tǒng)中包括：電機(jī)、高壓變頻器、主控臺、液壓站、潤滑站、高壓開關(guān)柜、減速機(jī)、聯(lián)軸器、雙滾筒、箕斗、天輪及原串電阻調(diào)速系統(tǒng)，因本文主要講述高壓變頻器在礦井提升機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，關(guān)于串電阻調(diào)速系統(tǒng)則在本文中不再詳述。
圖中，高壓變頻器作為動力調(diào)速裝置，在整個提升系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，下面則對此進(jìn)行詳細(xì)說明。
變頻器通過高壓開關(guān)柜受高壓電，并且通過變頻器控制系統(tǒng)檢測高壓電的相序，電壓等一系列參數(shù)，如果參數(shù)超出變頻器正常范圍，則利用變頻器自身的保護(hù)功能對變頻器實施保護(hù)，為了降低變壓器初期受電的激磁電流，避免受電時電網(wǎng)波動對其他運行設(shè)備的影響，該變頻器配備了激磁涌流抑制柜，降低激磁電流，降低電網(wǎng)波動的幅度。
變頻器與主控臺的接口主要如下：
變頻器接受主控臺的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停以及轉(zhuǎn)速給定等指令，變頻器反饋給主控臺的信號有：待機(jī)、運行、輕故障、重故障、旁路故障、輸出轉(zhuǎn)速及輸出電流等。
變頻器受高壓電后，主控臺通過檢測電機(jī)的待機(jī)信號，判斷變頻器已經(jīng)可以運行，主控臺在自動模式下，通過控制變頻器，實現(xiàn)礦井提升機(jī)運行的5段速度曲線，即啟動加速段、勻速段、一次減速段、勻速爬行段和二次減速制動段，下面一一說明。
1） 啟動加速段：主控臺接受井下操作人員的打點命令，對變頻器輸出正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)命令，變頻器按照預(yù)先設(shè)定的加速時間運行至最低頻率，將運行信號反饋給主控臺，此時作用于雙滾筒上的抱閘系統(tǒng)處于抱閘狀態(tài)，滾筒靜止，拖動滾筒的電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。主控臺接收到變頻器運行信號后，判斷變頻器輸出電流，當(dāng)檢測電流達(dá)到電機(jī)額定電流后（雙電機(jī)系統(tǒng)，額定電流為單電機(jī)額定電流的二倍），證明電機(jī)已經(jīng)獲得了足夠的勵磁轉(zhuǎn)矩，因液壓站液壓閥的機(jī)械特性有時會發(fā)生微小變化，為了避免溜車現(xiàn)象的發(fā)生，主控臺在此稍做了延時，一秒鐘后主控臺驅(qū)動液壓站液壓閥，液壓閥再驅(qū)動滾筒抱閘系統(tǒng)，松開抱閘系統(tǒng)，電機(jī)堵轉(zhuǎn)結(jié)束，開始旋轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)，滾筒開始運行，從而通過鋼繩拖動兩只箕斗上下運行。變頻器接受主控臺轉(zhuǎn)速給定信號，逐步提高運行頻率，按照預(yù)先設(shè)定的加速時間逐步提高運行頻率，滾筒轉(zhuǎn)速逐步提高；
2 ）勻速段：當(dāng)轉(zhuǎn)速給定指令提高至50赫茲，變頻器運行至50赫茲時，進(jìn)入勻速段，此階段，變頻器維持最大輸出，滾筒運行至最高速度，拖動箕斗在最高速度下運行；
3 ）一次減速段：主控臺通過立井系統(tǒng)的位置傳感器接收箕斗運行位置信號，當(dāng)?shù)竭_(dá)一次減速區(qū)間的時候，主控臺按照預(yù)先設(shè)定的程序減小轉(zhuǎn)速給定指令數(shù)值，變頻器接收到新的轉(zhuǎn)速給定數(shù)值后，執(zhí)行，開始降低運行頻率，拖動電機(jī)及滾筒減速運行。此時因箕斗之前還處于高速運行，突然降速后，由于慣性作用，電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，開始向變頻器注入能量，變頻器則利用自身的能量回饋功能，將此部分能量通過逆變回饋至電網(wǎng)，同時根據(jù)預(yù)先設(shè)定的降速曲線，對電機(jī)實施反作用力，達(dá)到快速降速的目的；
4 ） 勻速爬行段：主控臺通過箕斗的位置傳感信號，通過預(yù)設(shè)數(shù)值，給定變頻器低轉(zhuǎn)速數(shù)值，變頻器在此轉(zhuǎn)速信號下維持低頻率輸出不變，箕斗低速運行，進(jìn)入勻速爬行段；
5） 二次減速制動段：主控臺通過箕斗的位置傳感信號，判斷箕斗即將進(jìn)入預(yù)定停斗位置后，給變頻器更低轉(zhuǎn)速信號，變頻器運行至最低頻率，當(dāng)箕斗即將到達(dá)預(yù)定位置后，主控臺發(fā)出急停指令，變頻器停止驅(qū)動電機(jī)，同時控制液壓站，關(guān)斷液壓閥，從而驅(qū)動滾筒抱閘系統(tǒng)，經(jīng)過二級制動，抱閘系統(tǒng)抱死，滾筒靜止，箕斗停運，執(zhí)行卸煤及裝載流程。需要說明的是，當(dāng)主控臺發(fā)急停指令的時候，變頻器通過自身編程延時0.5秒停止頻率輸出，此種技術(shù)手段是為了保證在滾筒抱閘系統(tǒng)已經(jīng)起作用的時候，變頻器仍有短時間力矩輸出，防止抱閘系統(tǒng)抱閘瞬間變頻器力矩輸出為零，引起溜車現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)運行，證明了該方案的可行性。
當(dāng)然，在變頻器運行的各個階段，主控臺通過軸編碼器，分別監(jiān)測電機(jī)、滾筒的轉(zhuǎn)速，除了顯示箕斗運行速度、實時深度等數(shù)值，還通過多個速度監(jiān)測結(jié)果綜合判斷系統(tǒng)運行是否正常，另外，通過立井位置傳感器、繩索、潤滑站、液壓站、電機(jī)過熱保護(hù)器等系列參數(shù)，實現(xiàn)礦井提升機(jī)系統(tǒng)的上過卷、下過卷、松繩、潤滑油油壓過低或過高（潤滑站主要是給減速機(jī)潤滑）、液壓站油壓過高或過低、電機(jī)過載、絞車過速等一系列保護(hù)功能。
變頻器的加減速時間設(shè)置很重要，其設(shè)置根本原則有兩個方面，第一，盡可能利用變頻器自身的快速響應(yīng)功能，加減速時間盡量短，提高箕斗的運行速度，提高生產(chǎn)效率；第二，最大加速度不允許超過國家安標(biāo)，防止安全事故，基于以上兩點考慮，實際應(yīng)用中，變頻器從0至50赫茲的加速時間設(shè)置為12秒，從50赫茲至0赫茲的減速時間設(shè)置為9.7秒，經(jīng)現(xiàn)場實際運行，完全滿足現(xiàn)場運行要求。
變頻器運行中，不但自身具備完善的各項保護(hù)功能，還可以利用接口電路實時將故障信息傳送給主控臺，實現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)，最大限度地保證礦井提升機(jī)系統(tǒng)的安全運行。
下面是一組現(xiàn)場主要設(shè)備實圖，今展示出來，提高感性認(rèn)識。
五、變頻器在實際中應(yīng)用遇到的問題及解決辦法
實際調(diào)試過程中，曾經(jīng)遇到如下問題：每次主控臺給變頻器正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)指令，變頻器開始啟動，在抱閘系統(tǒng)松開之前，提升機(jī)系統(tǒng)減速機(jī)部分都會發(fā)生“咣、咣”兩聲比較大的聲響，很明顯，不但產(chǎn)生噪音，而且對減速機(jī)的機(jī)械部分也是一種損害。仔細(xì)分析問題，最后把目光定在了電機(jī)與減速機(jī)之間的聯(lián)軸器上，實物圖如下：
蛇形彈簧聯(lián)軸器屬于一種結(jié)構(gòu)先進(jìn)的金屬彈性變剛度聯(lián)軸器，它靠蛇簧嵌入兩半聯(lián)軸節(jié)的齒槽內(nèi)來傳遞扭矩，主要由兩個半聯(lián)軸節(jié)，兩個半外罩，兩個密封圈及蛇形彈簧片組成。聯(lián)軸器以蛇形彈簧片嵌入兩個半聯(lián)軸節(jié)的齒槽內(nèi)，來實現(xiàn)主動軸與從動軸的鏈接。運轉(zhuǎn)時，是靠主動端齒面 對蛇簧的軸向作用力帶動從動端，來傳遞扭矩，如此在很大程度上避免了共振現(xiàn)象發(fā)生，且簧片在傳遞扭矩時所產(chǎn)生的彈性變量，使機(jī)械系統(tǒng)能獲得較好的減震效果，其平均減震率達(dá)36%以上。蛇形彈簧片采用優(yōu)質(zhì)彈簧鋼制造經(jīng)過嚴(yán)格的加工，處理具有良好的機(jī)械性能，使聯(lián)軸器的壽命比非金屬彈性元件聯(lián)軸器大為延長。
問題就是出在蛇形彈簧聯(lián)軸器上。因變頻器為了滿足現(xiàn)場快速啟動的要求，設(shè)置了轉(zhuǎn)矩提升功能，加大啟動轉(zhuǎn)矩,加速時間又很小( 從0到50赫茲之間僅為12秒) ，這樣一來,當(dāng)變頻器啟動，電機(jī)很快得到足夠的勵磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)堵轉(zhuǎn)，電機(jī)急速運行至變頻器最低頻率。此時，電機(jī)轉(zhuǎn)矩較大，通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動減速機(jī)，減速機(jī)主動輪和從動輪之間是有間隙的，因此時抱閘系統(tǒng)處于抱閘狀態(tài)，滾筒還處于靜止?fàn)顟B(tài)，則減速機(jī)主動軸與從動軸齒輪間迅速發(fā)生碰撞，發(fā)生“咣”一聲響，然而，變頻器在低轉(zhuǎn)速下，其輸出轉(zhuǎn)矩很顯然無法和工頻輸出時相比，這樣，當(dāng)減速機(jī)主動軸齒輪與從動軸齒輪之間發(fā)生第一次碰撞后，因蛇形彈簧聯(lián)軸器的彈性作用，瞬間產(chǎn)生反作用力矩，彈性越大，反作用力矩越強，而變頻器此時輸出的轉(zhuǎn)矩則很難持續(xù)抗衡該反轉(zhuǎn)矩，于是，蛇形彈簧聯(lián)軸器帶動電機(jī)瞬間反轉(zhuǎn)，主動軸齒輪與從動軸齒輪之間又一次發(fā)生碰撞，又發(fā)生一次“咣”的聲響，直至再次驅(qū)動從動軸時，此時滾筒抱閘系統(tǒng)已經(jīng)松開，電機(jī)開始正常運行，則再無該機(jī)械聲響。下一次，提升機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到運行狀態(tài)，則現(xiàn)象依舊。
基于以上分析，最后，我們利用變頻器先進(jìn)的設(shè)置功能，在變頻器加速時間上作了一些改動，將原有的加速時間分作三段，其中，在第一段加速時間為0至4赫茲2秒，第二段加速時間為4到15赫茲2秒，15至50赫茲加速時間為8秒。這樣，保證在整個加速時間12秒不變，而主要是利用第一段加速時間來解決機(jī)械撞擊的問題，即，當(dāng)變頻器接收到正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)指令后，啟動，此時，電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩依據(jù)第一段加速時間而逐步建立，其轉(zhuǎn)矩的提升不再是瞬間至最大值，，而是有了一個斜度，作用在蛇形聯(lián)軸器的力矩是個逐步增加的過程，充分利用了蛇形聯(lián)軸器的彈性功能，不致于蛇形聯(lián)軸器彈性過大，造成反力矩從而沖擊從動輪，當(dāng)力矩至最大時，滾筒抱閘系統(tǒng)已經(jīng)松開，提升機(jī)系統(tǒng)開始提升，一切恰到好處，再無“咣、咣”的機(jī)械聲響，問題得到徹底解決。
六、改造前后變頻器與原串電阻調(diào)速系統(tǒng)的對比
七、結(jié)束語
繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，電阻上消耗大量的轉(zhuǎn)差功率，速度越低，消耗的轉(zhuǎn)差功率越大。使用能量回饋型變頻調(diào)速，是一種不耗能的高效的調(diào)速方式。電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下運行時還可以將能量回饋至電網(wǎng)，節(jié)能十分顯著，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，提升機(jī)變頻調(diào)速后，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性得到大大的提高，減少了運行故障和停工工時，節(jié)省了人力和物力，提高了運煤能力，間接的經(jīng)濟(jì)效益也很可觀。
