摘要：本文介紹了HARSVERT-FVA低壓濾波型高壓變頻器在煤礦提升機中的技術(shù)應用。在石炭井焦煤公司的成功應用，證明變頻調速裝置的可靠運行不但能夠節能降耗，而且可以有效提高煤礦系統的安全可靠性，證實(shí)變頻改造是煤礦安全生產(chǎn)的重要手段。

  關(guān)鍵詞：礦井提升機、低壓濾波、高壓變頻器、帶編碼器矢量控制、能量回饋

  一、 引言  

  在煤礦生產(chǎn)中，礦井提升機起著(zhù)非常重要的作用，它是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設備。傳統的礦井提升中，80%左右是用交流繞線(xiàn)式電機轉子串電阻調速的方式，存在著(zhù)調速性能差，調速時(shí)能量要大量消耗在電阻上，給定方式落后，控制精度低，安全保護和監測環(huán)節不完善，安全可靠性差，維護工作量大等諸多問(wèn)題，改為電控臺和高壓變頻器相結合的控制方案，大大提高了整個(gè)電控系統安全可靠性、控制精度及調速性能，為用戶(hù)提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，又響應了國家的號召，實(shí)現了雙重節能減耗的效果。

  二、用戶(hù)簡(jiǎn)介

  石炭井礦區是寧夏煤炭工業(yè)的發(fā)源地之一。作為主焦煤生產(chǎn)礦井，石炭井礦在神寧集團煤炭經(jīng)濟板塊中占據著(zhù)非常重要的位置。石炭井二礦始建于1958年，1961年12月20日建礦生產(chǎn)，是原石炭井礦務(wù)局最早開(kāi)發(fā)投產(chǎn)的礦井。建礦以來(lái)，經(jīng)歷建井、擴建、技術(shù)改造、向高標準化邁進(jìn)等不同階段，礦區規模不斷發(fā)展，礦井生產(chǎn)能力不斷增強，固定資產(chǎn)規模逐步增大，1997年核定能力為110萬(wàn)噸/年。石炭井焦煤公司是2008年神寧集團將原石炭井二礦與金賀蘭公司整合組建成立，截至2009年底，該礦焦煤公司完成了礦井主提升及地面洗選系統技術(shù)改造，淘汰了落后的炮采工藝，實(shí)現了一井兩面年產(chǎn)130萬(wàn)噸左右的生產(chǎn)格局。如圖1所示
  
                  
                            圖1 公司大門(mén)

  三、現場(chǎng)基本工況

1、提升機參數：?jiǎn)螡L筒纏繞式礦井提升機，卷筒直徑4000mm，減速比30，最大提升速度3.98m/s；
2、電機參數：型號：YP560-10，功率900kW ，定子電壓6000V，電流112A，南陽(yáng)防爆集團股份有限公司；
3、變頻器參數：型號：HARSVERT-FVA06/120，額定電壓6kV，額定電流120A，額定功率1000kW?，F場(chǎng)情況如圖4、圖3所示。
 
               
                             圖2 提升機現場(chǎng)
  
               
                               圖3變頻器室

  四、變頻器系統結構、功能介紹

   HARSVERT-FVA系列低壓濾波型高壓變頻器是北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的新一代能量回饋型矢量控制高壓變頻調速系統，該系統采用單獨功率單元濾波形式，改善諧波效果，可適應對諧波要求苛刻的場(chǎng)合。

  由于受IGBT耐壓限制，6kV高壓變頻調速系統的結構采用功率單元串聯(lián)模式，6kV系列有15個(gè)功率單元和15個(gè)濾波單元組成，每5個(gè)功率單元串聯(lián)構成一相，如圖4所示。此套高壓變頻系統采用帶編碼器矢量控制方式，是速度和電流雙閉環(huán)控制系統，調壓精度高，動(dòng)態(tài)響應快。  

  HARSVERT-FVA系列能量回饋型矢量控制高壓變頻器由激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜和控制柜組成，各柜體結構如圖5所示
 
               
                           圖4 高壓變頻調速系統示意圖
  
                  
                         圖5 高壓變頻系統的構成

  變壓器在受電瞬間，會(huì )產(chǎn)生激磁涌流，該數值在正常額定電流的6到10倍，因為礦上電網(wǎng)容量通常較小，易引起電網(wǎng)急劇負向波動(dòng)，影響其他設備正常運行，另外輸入側的IGBT相對脆弱，減小對其沖擊可大大加強可靠性，增加設備的使用壽命。為此，特設置了激磁涌流抑制柜，其主要組成部分為高壓電阻與真空接觸器。變頻器上高壓前，高壓電阻串入變壓器主回路，通過(guò)電阻的限流作用降低激磁涌流，減小電網(wǎng)的負向波動(dòng)和保護IGBT。延時(shí)1-2秒后，切除高壓電阻，變頻器投入正常運行。

  變壓器柜內裝有整流變壓器，該變壓器采用免維護型干式變，絕緣等級為H級，最高耐受溫度180℃。變壓器將網(wǎng)側高壓變換為副邊的多組低壓，為功率柜中的功率單元及濾波單元供電，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個(gè)單元的主回路相對獨立，其工作電壓由各個(gè)低壓繞組的輸出電壓來(lái)決定，工作在相對的低壓狀態(tài)，類(lèi)似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術(shù)。各功率單元間的相對電壓，由變壓器副邊繞組的絕緣承擔，避免了串聯(lián)均壓?jiǎn)?wèn)題。變壓器設有溫控設備，能夠實(shí)時(shí)監控其內部溫度，在溫度較高時(shí)發(fā)出報警信號，在溫度過(guò)高時(shí)發(fā)出跳閘信號。此變壓器與通用型高壓變頻器的變壓器比較，有兩點(diǎn)不同，1、因為每個(gè)模塊都要向電網(wǎng)回饋能量，所以變壓器每個(gè)繞組的阻抗要求比較均勻，造價(jià)比較高；2、由于四象限變頻器功率單元整流側與逆變側均采用IGBT，可使用雙PWM技術(shù)消除網(wǎng)側諧波，故變壓器二次繞組無(wú)需移相。

  功率柜中裝有功率單元和濾波單元，每個(gè)功率單元和濾波單元為一組，如圖6、7所示，每組結構上完全一致，可以互換，其主電路結構為圖8。增加濾波單元（LCL濾波器）是為了消除PWM整流器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作對電網(wǎng)造成的諧波污染。功率單元是整個(gè)變頻系統的心臟，能量回饋功率單元采用有源前端（AFE）、直流環(huán)節（DC-Link）與逆變電路（INV）整合的結構。整流側用IGBT三相全橋可控整流，中間采用電解電容濾波和儲能，輸出側為4只IGBT組成的H橋。每個(gè)功率單元內部包含完整的能量回饋電路、直流濾波電路、逆變電路和旁路電路。每個(gè)功率單元相當于一臺交-直-交電壓源型單相輸出的低壓變頻器。每個(gè)功率單元內裝有獨立的DSP處理器和電壓、電流采樣電路，能夠在主控系統的協(xié)調下獨立地實(shí)現能量回饋的控制。由于采用可控整流技術(shù)，變頻器的輸入電流具有較高的功率因數（PF＞0.95）和較低的諧波含量（THD＜4%）。
 
                 
                          圖6 前方的功率單元
 
                
                        圖7 后方的濾波單元
 
                 
                      圖8 功率單元內部基本電路結構

  變壓器二次側交流電源通過(guò)前部IGBT進(jìn)行三相全橋方式整流，整流后經(jīng)直流母線(xiàn)對濾波電容充電，每個(gè)功率模塊中加裝電流檢測裝置，檢測直流母線(xiàn)電壓，根據直流母線(xiàn)電壓大小確定電容上的電流應該給多少，保證直流母線(xiàn)電壓穩定。電機需要能量了，母線(xiàn)電壓會(huì )下降，能量正向流動(dòng)，這是電動(dòng)功率。如果能量反向流動(dòng)，電容上的電壓會(huì )升高，通過(guò)前部IGBT控制，使能量回饋到電網(wǎng)，產(chǎn)品具備100%額定功率的能量回饋能力。

  變頻器的輸出側由每個(gè)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(guò)對每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖9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(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(cháng)度較長(cháng)，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時(shí)，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動(dòng)。
 
             
                        圖9 高壓變頻器輸出線(xiàn)電壓波形

  控制系統位于控制柜中，由主控制器（DSP）、人機界面（嵌入式工控機）、PLC三大部分構成，三大部分各有分工，又互相通訊、協(xié)同工作。人機界面和主控制器及PLC之間均采用RS485進(jìn)行數據通訊，通訊協(xié)議為Modbus協(xié)議。主控制器和PLC之間采用I/O點(diǎn)建立簡(jiǎn)單通訊。  

  高性能交流傳動(dòng)系統均需要轉速閉環(huán)控制，利德華福自主研發(fā)的帶編碼器高性能矢量控制技術(shù)，可保證很高的精度和很準確的動(dòng)態(tài)響應。整個(gè)系統采用高性能DSP微處理器，可以自動(dòng)檢測到電機的參數，建立電機的數學(xué)模型，通過(guò)檢測電機的電壓和電流，對電機的磁通和轉矩進(jìn)行實(shí)時(shí)的解耦控制，能夠對電機轉矩進(jìn)行主動(dòng)的限制，避免負荷波動(dòng)導致的過(guò)電流故障。

  五、投運后的效果

  變頻器成功應用于提升機生產(chǎn)，解決了原串電阻調速系統的各種弊端，優(yōu)勢如下：

（1）克服了接觸器、電阻器繞線(xiàn)電機電刷等容易損壞的缺點(diǎn)，降低了故障和事故的發(fā)生率，提高了系統的可靠性；
（2）啟動(dòng)柔和，轉矩大，實(shí)現了無(wú)級平滑調速，電機振動(dòng)??；
（3）加減速快速平穩，,機械沖擊小，極大的延長(cháng)了設備的使用壽命；
（4）自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，主令手柄和制動(dòng)手柄在提升機運行中基本不動(dòng)，降低司機勞動(dòng)強度和操作難度；
（5）基本無(wú)維護工作量，減低了維護人員的工作強度；
（6）系統具有更完善的軟硬件保護環(huán)節。

  六、總結

  安全生產(chǎn)是煤礦生產(chǎn)永恒的主題。煤礦提升機對整個(gè)礦井的安全生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用。神寧集團石炭井焦煤公司副井提升機變頻器的成功投運，為用戶(hù)創(chuàng )造了巨大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。實(shí)踐證明，利用技術(shù)先進(jìn)、成熟安全的高壓變頻調速系統可以全面改善現場(chǎng)工況，提高系統自動(dòng)化程度，保證系統安全。同時(shí)使用高壓變頻器可以大大降低現場(chǎng)維護量，降低司機及維護工人的工作強度，值得大力推廣。

  參考文獻：

1、 倚鵬，北京利德華福電氣技術(shù)有限公司，《高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應用》