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在礦井的各動(dòng)力設備中，提升機系統是較為重要、耗能較大的設備。提升機運行的可靠性直接影響礦井的產(chǎn)能和人員、設備升降井速度，直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)水平；同時(shí)提升機的調速方式也是對噸煤電耗水平影響較大的因素。

長(cháng)期以來(lái)，礦用提升機普遍使用繞線(xiàn)式異步電機轉子串電阻的方法進(jìn)行調速控制。該方法成本較低，但轉矩脈動(dòng)大，電機電流大，能耗高，且轉子串電阻調速控制電路復雜，接觸器、電阻器、繞線(xiàn)電機電刷等容易損壞，影響企業(yè)安全生產(chǎn)水平。隨著(zhù)電力電子與電機控制技術(shù)的發(fā)展，采用變頻調速的方法可以從根本上解決上述問(wèn)題。
2 普通高壓變頻器與風(fēng)光高壓提升機變頻器的差異
2.1普通高壓變頻器

通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，三相交流電首先通過(guò)二極管不控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩壓，最后經(jīng)逆變輸出電壓、頻率可調的交流電給電動(dòng)機供電。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動(dòng)和頻繁正、反轉的調速系統，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門(mén)刨床、卷繞機構張力系統及機床主軸驅動(dòng)系統等。因為這種系統要求電機四象限運行，當電機減速、制動(dòng)或者帶位能性負載重物下放時(shí)，電機處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸到直流側濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過(guò)高的泵升電壓有可能損壞開(kāi)關(guān)器件、電解電容，甚至會(huì )破壞電機的絕緣，從而威脅系統安全工作，這就限制了通用變頻器的應用范圍。
2.2風(fēng)光高壓提升機變頻器

為解決電動(dòng)機處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，國內在中小容量系統中大都采用能耗制動(dòng)方式，即通過(guò)內置或外加制動(dòng)電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實(shí)現電機的四象限運行，該方法雖然簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的： (1)浪費能量，降低了系統的效率；(2)電阻發(fā)熱嚴重，影響系統的其他部分正常工作；(3)簡(jiǎn)單的能耗制動(dòng)有時(shí)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動(dòng)性能的提高。

為了實(shí)現電機的四象限運行，并克服傳統制動(dòng)方法的并聯(lián)電阻消耗能量造成的浪費，新風(fēng)光率先研制了提升機變頻調速系統，在變頻器整流電路中采用自關(guān)斷器件進(jìn)行PWM控制，使能量雙向流動(dòng)，使電機四象限運行；使電機很快達到速度要求，動(dòng)態(tài)響應快。

風(fēng)光JD-BP37-T系列高性能高壓變頻調速產(chǎn)品，以高速DSP（TMS320F2812）為控制核心，結合矢量控制技術(shù)，融合了能量回饋技術(shù)，以及IGBT大電流驅動(dòng)技術(shù)，是新一代高性能較少諧波高壓變頻調速產(chǎn)品的典型代表。矢量控制功能使得異步電機啟動(dòng)轉矩大，動(dòng)態(tài)轉矩響應好，調速精度高。能量回饋技術(shù)的應用，使得功率單元串聯(lián)型高壓變頻器具備了四象限運行能力，能量可以在電網(wǎng)和電機之間雙向流動(dòng)。矢量控制技術(shù)原理如圖1所示。 

圖1 矢量控制技術(shù)原理框圖

高壓提升機變頻器功率單元原理如圖2所示，高壓提升機變頻器能夠進(jìn)行能量回饋，功率單元硬件上相對普通高壓變頻器將輸入整流二極管更換為IGBT，控制上采用雙PWM整流，實(shí)現了能量雙向流動(dòng)。

圖2 高壓提升機變頻器功率單元原理框圖

風(fēng)光高壓提升機變頻器在工作中具有以下特點(diǎn)：
①當電機處于拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量由交流電網(wǎng)經(jīng)整流器中間濾波電容充電，逆變器在PWM控制下將能量傳送到電機。
②當電機進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器的續流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時(shí)在PWM控制下將能量回饋到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動(dòng)。
由于PWM整流器閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統的功率因數，消除了網(wǎng)側諧波污染。其優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)力矩大，調速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好。
風(fēng)光高壓提升機變頻器回饋電流和電網(wǎng)電壓波形如圖3所示。能量傳遞過(guò)程如圖4所示。    

圖3 回饋電流和電網(wǎng)電壓波形

圖4 能量傳遞過(guò)程示意圖

風(fēng)光高壓提升機變頻器除具有普通高壓變頻器的功能外，還針對絞車(chē)控制，具有以下突出特點(diǎn)：
（1）電源輸入勵磁涌流限制技術(shù)：該技術(shù)使得系統在每次上高壓電時(shí)的沖擊電流小，對電網(wǎng)的沖擊也很小。
（2）系統斷電自動(dòng)保護技術(shù)：確保任何情況下系統都能安全運行。如果沒(méi)有：提升機重載下放過(guò)程中，遇到系統停電時(shí)，會(huì )造成單元損壞甚至整個(gè)系統癱瘓。
（3）變頻裝置為直接高-高結構，直接6kV/10kV輸入，直接6kV/10kV輸出，可以直接安裝使用,不需要對系統進(jìn)行任何改造。
（4）功率單元自動(dòng)旁路技術(shù)：在提升機運行過(guò)程中，意外出現一個(gè)或幾個(gè)功率單元故障時(shí)，系統可以自動(dòng)將故障單元旁路，系統進(jìn)入星點(diǎn)偏移控制，保持輸出的線(xiàn)電壓平衡，同時(shí)保持最大輸出轉矩、電壓，完成本次提升任務(wù)。
（5）獨立的控制電源技術(shù)：系統在不上高壓電的情況下可以檢測系統各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的波形和調試、培訓等，方便用戶(hù)自行檢修和維護。
（6）空載低損耗控制技術(shù): 變頻系統在待機狀態(tài)下，空載損耗小，經(jīng)實(shí)測比通用技術(shù)產(chǎn)品要低2～3倍。
（7）采用矢量控制技術(shù)，電機可四象限運行，具有不施閘懸停和力矩預置技術(shù)。
（8）承諾可以現場(chǎng)進(jìn)行試驗：1～2個(gè)單元故障可以旁路，完成一個(gè)提升循環(huán)。提升機滿(mǎn)載、全速提升和下放電源停電試驗，確保變頻器不損壞。
（9）風(fēng)光變頻器單元內電解電容因采取了本公司的專(zhuān)利技術(shù)（專(zhuān)利號ZL 2003 2 017356.2），可以將其使用壽命提高一倍。
（10）提升機變頻器具有回饋制動(dòng)、直流制動(dòng)、安全制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)等多項制動(dòng)方式，保證了絞車(chē)可靠運行。
（11）具有完備的與電控系統對接的各個(gè)接口，實(shí)現與電控系統無(wú)縫連接。
3風(fēng)光高壓提升機變頻器品質(zhì)保證措施

為提高可靠性，風(fēng)光高壓提升機變頻器采取了以下措施：
3.1設計及工藝保證措施
（1）冗余技術(shù)
這包括器件冗余（電壓冗余、電流冗余等）、電路冗余、單元冗余等等。
（2）改進(jìn)吸收電路設計，減小IGBT的電壓、電流應力。
（3）低溫升設計
功率器件、電解電容使用壽命和工作溫度密切相關(guān)，一般給出80℃時(shí)的工作壽命，溫度每升高10℃壽命約降低一半，每下降10℃壽命增加一倍。盡可能地降低整機溫升，將會(huì )大幅度提高整機可靠性。
（4）抗干擾設計
要保證整機高可靠性運行，應最大限度的提高整機抗干擾性能，主要從以下幾方面著(zhù)手：結構設計（屏蔽、接地隔離等措施）、工藝設計（排板、布線(xiàn)等盡可能合理）、電源設計（控制電源應良好凈化，避免從電源引入干擾）、電路設計、軟件設計、制造工藝等等。
（5）高溫老化試驗、步入式高低溫交變濕熱試驗、電磁兼容試驗等試驗手段齊全，可通過(guò)此試驗可檢杳出不良品或不良件，充分提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。
3.2實(shí)驗手段保證

新風(fēng)光電子公司高壓提升機試驗系統是目前國內同行業(yè)設計較先進(jìn)、實(shí)驗能力較強大的提升機產(chǎn)品試驗平臺。實(shí)驗平臺由國家配變電實(shí)驗中心——天津電氣傳動(dòng)研究所設計。該實(shí)驗系統能夠滿(mǎn)足提升機變頻器的各種實(shí)驗要求，真實(shí)模擬絞車(chē)提升機現場(chǎng)各種工況，是風(fēng)光高壓提升機變頻器品質(zhì)的有力保證。
每臺風(fēng)光高壓提升機變頻出廠(chǎng)前除與普通高壓變頻進(jìn)行正常的檢驗、實(shí)驗等外，還單獨進(jìn)真實(shí)的現場(chǎng)模擬試驗，真正做到四象限運行。在真實(shí)的現場(chǎng)模擬試驗中，主要試驗的項目有低頻帶載提升、起動(dòng)時(shí)的直流制動(dòng)、外部故障時(shí)的急停、單元故障時(shí)的星點(diǎn)偏移、高速下放時(shí)的回饋制動(dòng)、與電控接口的邏輯等各項試驗。
4用戶(hù)情況介紹

內蒙古某煤礦，是一座年設計生產(chǎn)能力為1500萬(wàn)噸的現代化煤炭企業(yè)集團，礦井設計采用立井開(kāi)拓方式，布置兩個(gè)大采高綜采工作面，被列為國家煤炭工業(yè)“十二五”規劃開(kāi)工建設的項目。該礦副井提升電控系統采用交流繞線(xiàn)式電機轉子串電阻調速，轉子串電阻調速屬有級調速，調速范圍受限，調速精度低，在減速時(shí)和下放重物時(shí)，浪費了大量的電能。具體來(lái)說(shuō)有以下缺點(diǎn)：
(1)大量的電能消耗在轉差電阻上，造成了嚴重的能源浪費。
(2)控制系統復雜，導致系統的故障率高，接觸器、電阻器、繞線(xiàn)電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。
(3)低速和爬行階段需要依靠制動(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時(shí)，很難實(shí)現減速控制，導致調速不連續、速度控制性能較差。
(4)啟動(dòng)和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現“掉道”現象。
(5)自動(dòng)化程度不高，增加了開(kāi)采成本，影響了產(chǎn)量。
(6)低速段的啟動(dòng)力矩小，機械特性比較軟，帶負載能力差，無(wú)法實(shí)現恒轉矩提升。
礦領(lǐng)導經(jīng)過(guò)研究，決定改造副井提升機加裝變頻器，同時(shí)保留原控制系統，使兩套系統互為備用，增加系統運行的可靠性。變頻器選用的是新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-1400T（1400kW/6kV）高壓提升機變頻器，改造取得了成功。
提升機參數如表1、拖動(dòng)電機參數表2所示。
礦機提升機參數如表1所示。 拖動(dòng)電機參數如表2所示。    



風(fēng)光高壓提升機變頻器具體參數如表3所示。 


5改造主回路方案

為了確保安全可靠，讓變頻調速系統與原調速系統并存，互為備用，隨時(shí)可以切換。改造系統控制思路如圖5所示。

  

圖5  工、變頻系統切換控制

高壓提升機變頻器是整個(gè)改造系統的一個(gè)核心部分，它具有與電控系統相適配的各種接口。配合自動(dòng)控制的操作臺運行時(shí)，電控臺向變頻器發(fā)出“正轉運行”、“反轉運行”和“變頻急停”三路開(kāi)關(guān)量信號，以及一路4～20mA“給定轉速”信號。變頻器向電控臺發(fā)出“變頻器待機”、“變頻器故障”和“安全回路”三路開(kāi)關(guān)量信號，以及用于顯示的模擬量輸出信號。電控臺控制高壓斷路器分、合閘，分別連入相應的控制回路中。絞車(chē)上安裝的軸編碼器向電控臺發(fā)出電機轉速及絞車(chē)位置信號。電控臺接受絞車(chē)司機的操作指令。

整個(gè)提升機系統中設有深度指示失效、限速、過(guò)卷、反轉、制動(dòng)油過(guò)壓、閘瓦磨損、松繩、速度監視、制動(dòng)油超溫、潤滑油超壓欠壓、變頻器的輕重故障等保護功能。系統能根據故障性質(zhì)做出響應，必要時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)，確保設備及人員的安全。主回路改造原理如圖6所示：

圖6  主回路改造圖

圖6中K1、K2、K3為三臺高壓隔離開(kāi)關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K1、K3與K2采用電磁互鎖操動(dòng)機構，實(shí)現電磁和機械互鎖。K4為轉子側雙擲開(kāi)關(guān)，變頻運行時(shí)，K4切換到變頻側，繞線(xiàn)電機轉子線(xiàn)圈經(jīng)雙擲開(kāi)關(guān)K4后處于短接狀態(tài)；工頻運行時(shí)，K4切換到工頻側，繞線(xiàn)電機轉子線(xiàn)圈經(jīng)K4接至原調速電阻裝置。當K1、K3閉合，K2斷開(kāi)，K4切換到變頻側，電機變頻運行；當K1、K3斷開(kāi)，K2閉合，K4切換到工頻側，電機工頻運行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護和調試。另外，為了保證安全，變頻器高壓連跳信號和上一級的高壓斷路器也實(shí)現互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線(xiàn)圈，變頻器出現故障時(shí)，上一級的高壓斷路器斷開(kāi)，實(shí)現高壓故障連跳功能。
6現場(chǎng)變頻調試運行情況

2015年8月，高壓提升機變頻器安裝就位后，開(kāi)始安裝、調試變頻器。根據現場(chǎng)工況情況，把變頻器工作方式設置為無(wú)旋轉編碼器矢量控制工作方式，同時(shí)把電動(dòng)機的工作參數進(jìn)行設置，然后帶空電動(dòng)機進(jìn)行運行，查看變頻器的工作情況與理論工作曲線(xiàn)進(jìn)行比較后再次調整電機設置參數，使實(shí)際運行曲線(xiàn)與理論曲線(xiàn)達到一致，最后帶滾筒對參數進(jìn)行微調。

為了驗證變頻器的帶載能力，提升機罐籠裝滿(mǎn)沙石料（超過(guò)額定負載量），變頻器運行在1.5Hz，輸入電流在18.5A，輸出電流達到206A（電動(dòng)機額定電流143A），罐籠緩慢的提升，運行平穩；為了驗證下放回饋能力，現場(chǎng)把正常工作使用的傘鉆作為重物進(jìn)行試驗（傘鉆重量為13噸），下放運行頻率1.5Hz，輸出電流100A，輸入電流12A，變頻器回饋工作正常。變頻改造后，實(shí)現了提升機加減速過(guò)程的平穩控制，運行過(guò)程纜繩擺幅明顯減小，人員升降舒適性明顯提高，電動(dòng)機啟動(dòng)電流與啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)顯著(zhù)降低；省去了轉子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節能效果。經(jīng)過(guò)實(shí)測，變頻改造后，在提升產(chǎn)量相同的情況下，變頻運行時(shí)比工頻節能20%以上。
7結束語(yǔ)

風(fēng)光高壓提升機變頻器在煤礦提升機轉子串電阻電控系統改造中，不僅提高了提升系統的安全性和可靠性，而且大大減低了維護費用，節能效果明顯，實(shí)現了高轉矩、高精度、寬調速范圍驅動(dòng)，是交流提升機電控系統發(fā)展的方向，應用前景廣闊。