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

長期以來，礦用提升機普遍使用繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻的方法進行調(diào)速控制。該方法成本較低，但轉(zhuǎn)矩脈動大，電機電流大，能耗高，且轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制電路復(fù)雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，影響企業(yè)安全生產(chǎn)水平。隨著電力電子與電機控制技術(shù)的發(fā)展，采用變頻調(diào)速的方法可以從根本上解決上述問題。
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二極管不控整流橋得到脈動直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動機供電。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構(gòu)張力系統(tǒng)及機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)等。因為這種系統(tǒng)要求電機四象限運行，當(dāng)電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，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?shù)街绷鱾?cè)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，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍。
2.2風(fēng)光高壓提升機變頻器

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

為了實現(xiàn)電機的四象限運行，并克服傳統(tǒng)制動方法的并聯(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(diào)速系統(tǒng)，在變頻器整流電路中采用自關(guān)斷器件進行PWM控制，使能量雙向流動，使電機四象限運行；使電機很快達到速度要求，動態(tài)響應(yīng)快。

風(fēng)光JD-BP37-T系列高性能高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，以高速DSP（TMS320F2812）為控制核心，結(jié)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(qū)動技術(shù)，是新一代高性能較少諧波高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品的典型代表。矢量控制功能使得異步電機啟動轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)好，調(diào)速精度高。能量回饋技術(shù)的應(yīng)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。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，實現(xiàn)了能量雙向流動。

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：
①當(dāng)電機處于拖動狀態(tài)時，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(dāng)電機進入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器的續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時在PWM控制下將能量回饋到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動。
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(tǒng)的功率因數(shù)，消除了網(wǎng)側(cè)諧波污染。其優(yōu)點是制動力矩大，調(diào)速范圍寬，動態(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，還針對絞車控制，具有以下突出特點：
（1）電源輸入勵磁涌流限制技術(shù)：該技術(shù)使得系統(tǒng)在每次上高壓電時的沖擊電流小，對電網(wǎng)的沖擊也很小。
（2）系統(tǒng)斷電自動保護技術(shù)：確保任何情況下系統(tǒng)都能安全運行。如果沒有：提升機重載下放過程中，遇到系統(tǒng)停電時，會造成單元損壞甚至整個系統(tǒng)癱瘓。
（3）變頻裝置為直接高-高結(jié)構(gòu)，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(tǒng)進行任何改造。
（4）功率單元自動旁路技術(shù)：在提升機運行過程中，意外出現(xiàn)一個或幾個功率單元故障時，系統(tǒng)可以自動將故障單元旁路，系統(tǒng)進入星點偏移控制，保持輸出的線電壓平衡，同時保持最大輸出轉(zhuǎn)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(tǒng)在不上高壓電的情況下可以檢測系統(tǒng)各個關(guān)鍵點的波形和調(diào)試、培訓(xùn)等，方便用戶自行檢修和維護。
（6）空載低損耗控制技術(shù): 變頻系統(tǒng)在待機狀態(tài)下，空載損耗小，經(jīng)實測比通用技術(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(yù)置技術(shù)。
（8）承諾可以現(xiàn)場進行試驗：1～2個單元故障可以旁路，完成一個提升循環(huán)。提升機滿載、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(nèi)電解電容因采取了本公司的專利技術(shù)（專利號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、直流制動、安全制動和動力制動等多項制動方式，保證了絞車可靠運行。
（11）具有完備的與電控系統(tǒng)對接的各個接口，實現(xiàn)與電控系統(tǒng)無縫連接。
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(shè)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）改進吸收電路設(shè)計，減小IGBT的電壓、電流應(yīng)力。
（3）低溫升設(shè)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，將會大幅度提高整機可靠性。
（4）抗干擾設(shè)計
要保證整機高可靠性運行，應(yīng)最大限度的提高整機抗干擾性能，主要從以下幾方面著手：結(jié)構(gòu)設(shè)計（屏蔽、接地隔離等措施）、工藝設(shè)計（排板、布線等盡可能合理）、電源設(shè)計（控制電源應(yīng)良好凈化，避免從電源引入干擾）、電路設(shè)計、軟件設(shè)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實驗手段保證

新風(fēng)光電子公司高壓提升機試驗系統(tǒng)是目前國內(nèi)同行業(yè)設(shè)計較先進、實驗?zāi)芰^強大的提升機產(chǎn)品試驗平臺。實驗平臺由國家配變電實驗中心——天津電氣傳動研究所設(shè)計。該實驗系統(tǒng)能夠滿足提升機變頻器的各種實驗要求，真實模擬絞車提升機現(xiàn)場各種工況，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前除與普通高壓變頻進行正常的檢驗、實驗等外，還單獨進真實的現(xiàn)場模擬試驗，真正做到四象限運行。在真實的現(xiàn)場模擬試驗中，主要試驗的項目有低頻帶載提升、起動時的直流制動、外部故障時的急停、單元故障時的星點偏移、高速下放時的回饋制動、與電控接口的邏輯等各項試驗。
4用戶情況介紹

內(nèi)蒙古某煤礦，是一座年設(shè)計生產(chǎn)能力為1500萬噸的現(xiàn)代化煤炭企業(yè)集團，礦井設(shè)計采用立井開拓方式，布置兩個大采高綜采工作面，被列為國家煤炭工業(yè)“十二五”規(guī)劃開工建設(shè)的項目。該礦副井提升電控系統(tǒng)采用交流繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬有級調(diào)速，調(diào)速范圍受限，調(diào)速精度低，在減速時和下放重物時，浪費了大量的電能。具體來說有以下缺點：
(1)大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上，造成了嚴重的能源浪費。
(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閘皮摩擦滾筒實現(xiàn)速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時，很難實現(xiàn)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，造成了很大的機械沖擊，導(dǎo)致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。
(5)自動化程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。
(6)低速段的啟動力矩小，機械特性比較軟，帶負載能力差，無法實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。
礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過研究，決定改造副井提升機加裝變頻器，同時保留原控制系統(tǒng)，使兩套系統(tǒng)互為備用，增加系統(tǒng)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(shù)如表1、拖動電機參數(shù)表2所示。
礦機提升機參數(shù)如表1所示。 拖動電機參數(shù)如表2所示。    



風(fēng)光高壓提升機變頻器具體參數(shù)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(diào)速系統(tǒng)與原調(diào)速系統(tǒng)并存，互為備用，隨時可以切換。改造系統(tǒng)控制思路如圖5所示。

  

圖5  工、變頻系統(tǒng)切換控制

高壓提升機變頻器是整個改造系統(tǒng)的一個核心部分，它具有與電控系統(tǒng)相適配的各種接口。配合自動控制的操作臺運行時，電控臺向變頻器發(fā)出“正轉(zhuǎn)運行”、“反轉(zhuǎn)運行”和“變頻急停”三路開關(guān)量信號，以及一路4～20mA“給定轉(zhuǎn)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(yīng)的控制回路中。絞車上安裝的軸編碼器向電控臺發(fā)出電機轉(zhuǎn)速及絞車位置信號。電控臺接受絞車司機的操作指令。

整個提升機系統(tǒng)中設(shè)有深度指示失效、限速、過卷、反轉(zhuǎn)、制動油過壓、閘瓦磨損、松繩、速度監(jiān)視、制動油超溫、潤滑油超壓欠壓、變頻器的輕重故障等保護功能。系統(tǒng)能根據(jù)故障性質(zhì)做出響應(yīng)，必要時實施緊急制動，確保設(shè)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采用電磁互鎖操動機構(gòu)，實現(xiàn)電磁和機械互鎖。K4為轉(zhuǎn)子側(cè)雙擲開關(guān)，變頻運行時，K4切換到變頻側(cè)，繞線電機轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)雙擲開關(guān)K4后處于短接狀態(tài)；工頻運行時，K4切換到工頻側(cè)，繞線電機轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)K4接至原調(diào)速電阻裝置。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開，K4切換到變頻側(cè)，電機變頻運行；當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合，K4切換到工頻側(cè)，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)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現(xiàn)互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線圈，變頻器出現(xiàn)故障時，上一級的高壓斷路器斷開，實現(xiàn)高壓故障連跳功能。
6現(xiàn)場變頻調(diào)試運行情況

2015年8月，高壓提升機變頻器安裝就位后，開始安裝、調(diào)試變頻器。根據(jù)現(xiàn)場工況情況，把變頻器工作方式設(shè)置為無旋轉(zhuǎn)編碼器矢量控制工作方式，同時把電動機的工作參數(shù)進行設(shè)置，然后帶空電動機進行運行，查看變頻器的工作情況與理論工作曲線進行比較后再次調(diào)整電機設(shè)置參數(shù)，使實際運行曲線與理論曲線達到一致，最后帶滾筒對參數(shù)進行微調(diào)。

為了驗證變頻器的帶載能力，提升機罐籠裝滿沙石料（超過額定負載量），變頻器運行在1.5Hz，輸入電流在18.5A，輸出電流達到206A（電動機額定電流143A），罐籠緩慢的提升，運行平穩(wěn)；為了驗證下放回饋能力，現(xiàn)場把正常工作使用的傘鉆作為重物進行試驗（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，實現(xiàn)了提升機加減速過程的平穩(wěn)控制，運行過程纜繩擺幅明顯減小，人員升降舒適性明顯提高，電動機啟動電流與啟動時振動顯著降低；省去了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果。經(jīng)過實測，變頻改造后，在提升產(chǎn)量相同的情況下，變頻運行時比工頻節(jié)能20%以上。
7結(jié)束語

風(fēng)光高壓提升機變頻器在煤礦提升機轉(zhuǎn)子串電阻電控系統(tǒng)改造中，不僅提高了提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，而且大大減低了維護費用，節(jié)能效果明顯，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動，是交流提升機電控系統(tǒng)發(fā)展的方向，應(yīng)用前景廣闊。