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　　摘要：本文介紹了風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。

　　關鍵詞：高壓變頻器  提升機  能量回饋

　　1 引言

　　山西蘭花煤炭實業集團有限公司唐安煤礦，是蘭花公司屬下一個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，屬高平市市營煤礦。現占地面積55萬平方米，井田面積29.95平方公里，屬沁水煤田腹地，地質儲量3.39億噸，工業儲量2.23億噸，可采儲量1.37億噸。年生產能力150萬噸。

　　礦井提升機是煤礦的關鍵設備，它肩負著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。礦井提升機在整個煤礦生產中占有重要的地位。因此，要求礦井提升機拖動系統具有安全可靠，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，就可能發且超速、過卷等重大安全事故，造成設備損壞甚至人員傷亡，給礦山帶來重大人事和財產損失。因此礦井提升機的電控系統的技術性能和可靠性直接影響煤礦的安全生產。

　　原副井提升機系統采用交流電動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導通過考察國內用戶現場使用提升機變頻器的情形后，決定選用新風光JD-BP37-280T型（280KW/6KV）高壓提升機變頻器，對副井提升機系統進行系統改造。

　　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機（江西電機廠）

　　2.2交流電動機轉子回路串電阻調速系統

　　在加速過程中，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，通常采用動力制動方案，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，讓電動機工作在發電伏態。

　　這種拖動方案存在的問題是：

　　（1）開環有級調速，加速度難以準確控制，調速精度差；

　　（2）觸點控制，大量使用大容量開關，系統維護工作量大，可靠性差；

　　（3）運行效率低，在低速時大部分功率都消耗在電阻上；

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

　　雖然這種調速方案控制方式簡單、初期設備投資較低，但技術性能和運行效率低，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個功率單元，每6個功率單元串聯構成一相。

　　3.2功率單元電路

　　每個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。圖中通過整流橋進行三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓，通過對逆變塊B中的IGBT逆變橋進行正弦PWM控制實現單相逆變。當電機進入發電狀態后，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，結果母線電壓升高，達到一定程度后，啟動逆變塊A，進行SPWM逆變，通過輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過變壓器將能量回饋到電網。

　　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側的電流波形，使其負載下的網側功率因數接近1，輸入電流諧波成分低。實測在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，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。

　　3.4輸出側結構

　　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，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，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，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）運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。人機界面提供友好的全中文WINDOWS監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。內置PLC控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，可以和用戶現場靈活接口，滿足用戶的特殊需要，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正由全新的數字信號處理技術（DSP）所代替。DSP是面向高速重復性數值運算密集型的實時處理。高性能DSP不僅處理速度快，而且可以無間斷的完成數據的實時輸入與輸出。DSP結構相對單一，普遍采用匯編編程，其處理完成時間的可預測性要比結構和指令復雜、依賴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，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，同時具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統的統一控制器，方便調試、維修、現場培訓，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、培訓帶來了很大方便。

　　系統采用三次諧波補償技術提高了電源電壓利用率，利用了調制信號預畸變技術，使電壓利用率近似于1。系統還采用了先進的載波移相技術，它的特點是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯后的總輸出波形失真特別小。多個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

　　3.7.1 直流制動

　　本提升機用變頻器，直流制動對提升系統的安全運行起到重要作用，當重車在中間停車時，PLC檢測到停機信號后給控制器發出信號，讓提升機由高速平滑地降到低速，然后由控制器發出直流制動信號，使提升機停止，待PLC檢測到機械制動起作用的信號后，PLC發出信號讓控制器去掉直流制動信號，使提升機靠機械抱閘一類的裝置起作用。啟動時，先對提升機施加一直流制動信號，PLC檢測到機械抱閘信號后發出信號給控制器去掉直流制動信號，然后由控制器加上啟動電壓讓提升機開始轉動。機械抱閘狀態一直在PLC的監控下，一旦機械抱閘打開，馬上給電機施加直流信號，確保重車不下滑。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，使電機磁場維持在一恒定方向不變，對運動中的轉子產生制動力矩。

　　3.7.2運行速度的控制

　　為了減少運行過程中的機械沖擊，在提升機啟動和停止過程中，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，將不同頻率時的加減速速率規劃成一個表格，運行中用查表的方法確定對應頻率時的加減速速率，使提升機平滑運行，減少機械沖擊。

　　3.7.3自動限速保護

　　在運行到終點時，由限速開關給出減速信號，PLC檢測到減速信號后發送給控制器，由控制器啟動自動減速程序，使工作頻率按設定要求逐步變為低速運行。提升機帶有測速發電機，當測速發電機給出超速信號，PLC檢測該信號發送給控制器，進入自動減速運行。

　　3.7.4再生能量處理

　　再生能量通過功率單元來處理，見圖5所示。電機處于發電狀態，功率單元母線電壓Vbus升高，當母線電壓超過電網電壓的1.1倍時，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，通過輸入電感，電動機的再生能量最后通過移相變壓器回饋到電網，裝置充分利用了移相變壓器對諧波的抵消作用，具有對電網無諧波污染、功率因數高、控制簡單、損耗小,返回到電網諧波小于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鍵指標，這兩項指標經國家權威部門的檢測，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 國家權威部門天津發配電及電控設備檢測所和國家電控配電設備質量監督檢驗中心。

　　4現場試驗情況及運行性能

　　4.1負載特性試驗

　　由于副井絞車提升負載情況比較復雜，因此，在調速階段進行了多種試驗，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，加、減速階段重力增加和失重的感覺幾乎沒有，速度控制的各個階段運行感覺較為平穩。

　　4.1.4重載試驗

　　（1）上提：試驗低速爬行的拖動能力。負載在井口時上提爬行速度約為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，爬行速度約為0.15m/s。重物上提全程運行時間由通常負載的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），造成了運行時間比常規提升重量狀態下運行時間有所增加。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）。

　　（2）下放：低速爬行、加速、勻速、減速整個過程很正常，符合要求。

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

　　4.2運行性能

　　（1）電流為雙向流動。

　　（2）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態降落或電壓超調不超過10%，擾動恢復時間不超過1秒。

　　（3）靜態功率因數穩定，小于5%。

　　（4）交流側諧波電流小，符合IEEE519規定，小于4%。

　　（5）變頻器在啟動過程中，啟動電流小于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，深受現場操作工的歡迎；更重要的是絞車運行可靠，而且節電效果顯著，具有非常明顯的經濟效益和社會效益。

　　作者簡介：

　　張文勇 男 技術支持工程師，供職于山東新風光電子科技發展有限公司。

　　常志恒 男 工程師 供職于蘭花集團唐安煤礦機電科，長期從事煤礦機電設備的研究與維護工作。

　　參考文獻：

　　1.曹大鵬《礦井提升機交-直-交可逆調速系統的研究》安徽理工大學；

　　2.趙樹國 郭培彬 《高壓變頻調速系統對礦山提升機的改造》變頻器世界，2008年第11期；

　　3.《山東新風光電子使用手冊》山東新風光電子科技發展有限公司；

　　4.趙樹國 郭培彬 《高壓變頻調速器在礦山提升機上的應用》變頻器世界，2008年第12期；

　　5.葉予光，梁南丁《礦井交流提升系統中電控系統的應用與研究》煤礦機械；

　　6.曹以龍《礦井交流提升機全數字交一交變頻低頻拖動智能控制系統的研究與實現》（博士學位論文），中國礦業大學

　　7.曹以龍，謝桂林《采用交一交變頻低頻拖動方案改善交流提升系統性能》山西礦業學院學報。