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   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，證實變頻改造是煤礦安全生產的重要手段。

  關鍵詞：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  

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

  二、用戶簡介

  石炭井礦區是寧夏煤炭工業的發源地之一。作為主焦煤生產礦井，石炭井礦在神寧集團煤炭經濟板塊中占據著非常重要的位置。石炭井二礦始建于1958年，1961年12月20日建礦生產，是原石炭井礦務局最早開發投產的礦井。建礦以來，經歷建井、擴建、技術改造、向高標準化邁進等不同階段，礦區規模不斷發展，礦井生產能力不斷增強，固定資產規模逐步增大，1997年核定能力為110萬噸/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改造，淘汰了落后的炮采工藝，實現了一井兩面年產130萬噸左右的生產格局。如圖1所示
  
                  
                            圖1 公司大門

  三、現場基本工況

1、提升機參數：單滾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。現場情況如圖4、圖3所示。
 
               
                             圖2 提升機現場
  
               
                               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有限公司生產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模式，6kV系列有15個功率單元和15個濾波單元組成，每5個功率單元串聯構成一相，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控制系統，調壓精度高，動態響應快。  

  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，會產生激磁涌流，該數值在正常額定電流的6到10倍，因為礦上電網容量通常較小，易引起電網急劇負向波動，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，通過電阻的限流作用降低激磁涌流，減小電網的負向波動和保護IGBT。延時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，使每個單元的主回路相對獨立，其工作電壓由各個低壓繞組的輸出電壓來決定，工作在相對的低壓狀態，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。各功率單元間的相對電壓，由變壓器副邊繞組的絕緣承擔，避免了串聯均壓問題。變壓器設有溫控設備，能夠實時監控其內部溫度，在溫度較高時發出報警信號，在溫度過高時發出跳閘信號。此變壓器與通用型高壓變頻器的變壓器比較，有兩點不同，1、因為每個模塊都要向電網回饋能量，所以變壓器每個繞組的阻抗要求比較均勻，造價比較高；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技術消除網側諧波，故變壓器二次繞組無需移相。

  功率柜中裝有功率單元和濾波單元，每個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整流器的開關動作對電網造成的諧波污染。功率單元是整個變頻系統的心臟，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調下獨立地實現能量回饋的控制。由于采用可控整流技術，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前部IGBT進行三相全橋方式整流，整流后經直流母線對濾波電容充電，每個功率模塊中加裝電流檢測裝置，檢測直流母線電壓，根據直流母線電壓大小確定電容上的電流應該給多少，保證直流母線電壓穩定。電機需要能量了，母線電壓會下降，能量正向流動，這是電動功率。如果能量反向流動，電容上的電壓會升高，通過前部IGBT控制，使能量回饋到電網，產品具備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，通過對每個單元的PWM波形進行重組，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，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度較長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動。
 
             
                        圖9 高壓變頻器輸出線電壓波形

  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、協同工作。人機界面和主控制器及PLC之間均采用RS485進行數據通訊，通訊協議為Modbus協議。主控制器和PLC之間采用I/O點建立簡單通訊。  

  高性能交流傳動系統均需要轉速閉環控制，利德華福自主研發的帶編碼器高性能矢量控制技術，可保證很高的精度和很準確的動態響應。整個系統采用高性能DSP微處理器，可以自動檢測到電機的參數，建立電機的數學模型，通過檢測電機的電壓和電流，對電機的磁通和轉矩進行實時的解耦控制，能夠對電機轉矩進行主動的限制，避免負荷波動導致的過電流故障。

  五、投運后的效果

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

（1）克服了接觸器、電阻器繞線電機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發生率，提高了系統的可靠性；
（2）啟動柔和，轉矩大，實現了無級平滑調速，電機振動小；
（3）加減速快速平穩，,機械沖擊小，極大的延長了設備的使用壽命；
（4）自動化程度高，操作簡單，主令手柄和制動手柄在提升機運行中基本不動，降低司機勞動強度和操作難度；
（5）基本無維護工作量，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節。

  六、總結

  安全生產是煤礦生產永恒的主題。煤礦提升機對整個礦井的安全生產具有至關重要的作用。神寧集團石炭井焦煤公司副井提升機變頻器的成功投運，為用戶創造了巨大的經濟效益和社會效益。實踐證明，利用技術先進、成熟安全的高壓變頻調速系統可以全面改善現場工況，提高系統自動化程度，保證系統安全。同時使用高壓變頻器可以大大降低現場維護量，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有限公司，《高壓大功率變頻器技術原理與應用》