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用情況，對節能效果進(jìn)行了分析。由于礦井提升機對轉速精度及加減速度要求較高，必須采用高精度變頻調速系統。

　　關(guān)鍵詞：高壓變頻器  提升機  能量回饋

　　1 引言

　　山西蘭花煤炭實(shí)業(yè)集團有限公司唐安煤礦，是蘭花公司屬下一個(gè)前景廣闊的現代化礦井。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(yíng)煤礦?，F占地面積55萬(wàn)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(wàn)噸。

　　礦井提升機是煤礦的關(guān)鍵設備，它肩負著(zhù)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、升降人員或設備等。礦井提升機在整個(gè)煤礦生產(chǎn)中占有重要的地位。因此，要求礦井提升機拖動(dòng)系統具有安全可靠，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備之一，其耗電量占礦山總耗電量的30%—40%，并且運行特性復雜，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(guò)卷等重大安全事故，造成設備損壞甚至人員傷亡，給礦山帶來(lái)重大人事和財產(chǎn)損失。因此礦井提升機的電控系統的技術(shù)性能和可靠性直接影響煤礦的安全生產(chǎn)。

　　原副井提升機系統采用交流電動(dòng)機轉子回路串電阻調速，由于該系統調速精度低，可靠性差，維護費用大，蘭花集團唐安煤礦領(lǐng)導通過(guò)考察國內用戶(hù)現場(chǎng)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，對副井提升機系統進(jìn)行系統改造。

　　2原礦井提升機系統概述

　　2.1系統參數

　　2.1.1礦用提升機

　　2.1.2減速器

　　2.1.3三相異步電動(dòng)機（江西電機廠(chǎng)）

　　2.2交流電動(dòng)機轉子回路串電阻調速系統

　　在加速過(guò)程中，交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4逐級吸合，轉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(dòng)機低速運行，則需在轉子回路串較大電阻。為了解決減速段的負力要求，通常采用動(dòng)力制動(dòng)方案，即將定子側的高壓電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施加低頻電源，讓電動(dòng)機工作在發(fā)電伏態(tài)。

　　這種拖動(dòng)方案存在的問(wèn)題是：

　?。?）開(kāi)環(huán)有級調速，加速度難以準確控制，調速精度差；

　?。?）觸點(diǎn)控制，大量使用大容量開(kāi)關(guān)，系統維護工作量大，可靠性差；

　?。?）運行效率低，在低速時(shí)大部分功率都消耗在電阻上；

　?。?）電機的機械特性偏軟，一般電阻上消耗的功率約為電動(dòng)機輸出功率的20%—30%；（5）接觸器經(jīng)常吸合與斷開(kāi)，噪音比較大。

　　雖然這種調速方案控制方式簡(jiǎn)單、初期設備投資較低，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速方案。

　　3高壓提升機變頻器系統原理

　　3.1系統結構

　　JD-BP37系列高壓變頻調速系統的結構由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6KV系列有18個(gè)功率單元，每6個(gè)功率單元串聯(lián)構成一相。

　　3.2功率單元電路

　　每個(gè)功率單元結構上完全一致，可以互換，其主電路結構有圖2所示，為基本的交-直-交雙向逆變電路。圖中通過(guò)整流橋進(jìn)行三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線(xiàn)電壓，通過(guò)對逆變塊B中的IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制實(shí)現單相逆變。當電機進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，逆變塊B中的二極管完成續流外，又起全波整流，使能量能夠轉移到濾波電容中，結果母線(xiàn)電壓升高，達到一定程度后，啟動(dòng)逆變塊A，進(jìn)行SPWM逆變，通過(guò)輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過(guò)變壓器將能量回饋到電網(wǎng)。

　　3.3輸入側結構

　　本機中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成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)側的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側功率因數接近1，輸入電流諧波成分低。實(shí)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(gè)功率單元的主回路相對獨立，類(lèi)似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術(shù)。

　　3.4輸出側結構

　　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(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(cháng)度很長(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)，減小了軸承和葉片的機械應力。

　　3.5控制器

　　控制器核心由高速32位數字信號處理器（DSP）運算來(lái)實(shí)現，精心設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監控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現遠程監控和網(wǎng)絡(luò )化控制。內置PLC控制器用于柜體內開(kāi)關(guān)信號的邏輯處理，以及與現場(chǎng)各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調，可以和用戶(hù)現場(chǎng)靈活接口，滿(mǎn)足用戶(hù)的特殊需要，增強了系統的靈活性。

　　數字信號處理器（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。傳統的模擬信號處理技術(shù)正由全新的數字信號處理技術(shù)（DSP）所代替。DSP是面向高速重復性數值運算密集型的實(shí)時(shí)處理。高性能DSP不僅處理速度快，而且可以無(wú)間斷的完成數據的實(shí)時(shí)輸入與輸出。DSP結構相對單一，普遍采用匯編編程，其處理完成時(shí)間的可預測性要比結構和指令復雜、依賴(lài)于編譯系統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(gè)指令周期，因此在相同的指令周期和片內指令緩沖條件下，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，系統具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個(gè)功率單元的控制電源采用一個(gè)獨立于高壓系統的統一控制器，方便調試、維修、現場(chǎng)培訓，增強了系統的可靠性。

　　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，設備各點(diǎn)的波形與加高壓情況基本相似，給整機可靠性、調試、培訓帶來(lái)了很大方便。

　　系統采用三次諧波補償技術(shù)提高了電源電壓利用率，利用了調制信號預畸變技術(shù)，使電壓利用率近似于1。系統還采用了先進(jìn)的載波移相技術(shù)，它的特點(diǎn)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(gè)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(diǎn)

　　3.7.1 直流制動(dòng)

　　本提升機用變頻器，直流制動(dòng)對提升系統的安全運行起到重要作用，當重車(chē)在中間停車(chē)時(shí)，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(dòng)信號，使提升機停止，待PLC檢測到機械制動(dòng)起作用的信號后，PLC發(fā)出信號讓控制器去掉直流制動(dòng)信號，使提升機靠機械抱閘一類(lèi)的裝置起作用。啟動(dòng)時(shí)，先對提升機施加一直流制動(dòng)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(dòng)信號，然后由控制器加上啟動(dòng)電壓讓提升機開(kāi)始轉動(dòng)。機械抱閘狀態(tài)一直在PLC的監控下，一旦機械抱閘打開(kāi)，馬上給電機施加直流信號，確保重車(chē)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(chǎng)維持在一恒定方向不變，對運動(dòng)中的轉子產(chǎn)生制動(dòng)力矩。

　　3.7.2運行速度的控制

　　為了減少運行過(guò)程中的機械沖擊，在提升機啟動(dòng)和停止過(guò)程中，做到加速度連續，因不同的頻率，對應不同的加減速速率，在本裝置的控制中，將不同頻率時(shí)的加減速速率規劃成一個(gè)表格，運行中用查表的方法確定對應頻率時(shí)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(dòng)限速保護

　　在運行到終點(diǎn)時(shí)，由限速開(kāi)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(dòng)自動(dòng)減速程序，使工作頻率按設定要求逐步變?yōu)榈退龠\行。提升機帶有測速發(fā)電機，當測速發(fā)電機給出超速信號，PLC檢測該信號發(fā)送給控制器，進(jìn)入自動(dòng)減速運行。

　　3.7.4再生能量處理

　　再生能量通過(guò)功率單元來(lái)處理，見(jiàn)圖5所示。電機處于發(fā)電狀態(tài)，功率單元母線(xiàn)電壓Vbus升高，當母線(xiàn)電壓超過(guò)電網(wǎng)電壓的1.1倍時(shí)，CPU根據比較器和相位檢測的結果輸出六路SPWM波形，使逆變塊A中的IGBT工作，通過(guò)輸入電感，電動(dòng)機的再生能量最后通過(guò)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(wú)諧波污染、功率因數高、控制簡(jiǎn)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)國家權威部門(mén)的檢測，均達到國標GB/14549-93和國際IEEEStd519-1992的標準。

　　2 國家權威部門(mén)的檢測共有17項，全部合格，檢測日期是2002年11月。

　　3 國家權威部門(mén)天津發(fā)配電及電控設備檢測所和國家電控配電設備質(zhì)量監督檢驗中心。

　　4現場(chǎng)試驗情況及運行性能

　　4.1負載特性試驗

　　由于副井絞車(chē)提升負載情況比較復雜，因此，在調速階段進(jìn)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。

　　4.1.2提升常規物料試驗（如沙子、水泥、矸石）

　　全速提升或下放，起車(chē)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(chē)加速、勻速、減速、爬行等各階段運行良好。人員在罐籠內乘坐時(shí)，加、減速階段重力增加和失重的感覺(jué)幾乎沒(méi)有，速度控制的各個(gè)階段運行感覺(jué)較為平穩。

　　4.1.4重載試驗

　?。?）上提：試驗低速爬行的拖動(dòng)能力。負載在井口時(shí)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(dòng)，爬行速度約為0.15m/s。重物上提全程運行時(shí)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(shí)間比常規提升重量狀態(tài)下運行時(shí)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）。

　?。?）下放：低速爬行、加速、勻速、減速整個(gè)過(guò)程很正常，符合要求。

　　重載提升（下放）試驗證明，變頻拖動(dòng)系統提升力矩可滿(mǎn)足系統設計提升力矩要求。

　　4.2運行性能

　?。?）電流為雙向流動(dòng)。

　?。?）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(dòng)態(tài)降落或電壓超調不超過(guò)10%，擾動(dòng)恢復時(shí)間不超過(guò)1秒。

　?。?）靜態(tài)功率因數穩定，小于5%。

　?。?）交流側諧波電流小，符合IEEE519規定，小于4%。

　?。?）變頻器在啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)電流小于1.3倍額定電流。

　　5結論

　　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速以后，調速精度高，噪聲污染消失，操作也方便，深受現場(chǎng)操作工的歡迎；更重要的是絞車(chē)運行可靠，而且節電效果顯著(zhù)，具有非常明顯的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

　　作者簡(jiǎn)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(cháng)期從事煤礦機電設備的研究與維護工作。

　　參考文獻：

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