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在礦井的各動力設備中，提升機系統(tǒng)是較為重要,、耗能較大的設備,。提升機運行的可靠性直接影響礦井的產(chǎn)能和人員、設備升降井速度,，直接關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子串電阻的方法進行調(diào)速控制,。該方法成本較低，但轉矩脈動大,，電機電流大,，能耗高，且轉子串電阻調(diào)速控制電路復雜,，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,、卷繞機構張力系統(tǒng)及機床主軸驅動系統(tǒng)等,。因為這種系統(tǒng)要求電機四象限運行，當電機減速,、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)街绷鱾葹V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器件,、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣,，從而威脅系統(tǒng)安全工作,，這就限制了通用變頻器的應用范圍。
2.2風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)響應快,。

風光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，結合矢量控制技術,，融合了能量回饋技術,，以及IGBT大電流驅動技術,，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矩大,，動態(tài)轉矩響應好,，調(diào)速精度高。能量回饋技術的應用,，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。矢量控制技術原理如圖1所示,。 

圖1 矢量控制技術原理框圖

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

風光高壓提升機變頻器在工作中具有以下特點：
①當電機處于拖動狀態(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：該技術使得系統(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：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-高結構,，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：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矩,、電壓，完成本次提升任務,。
（5）獨立的控制電源技術：系統(tǒng)在不上高壓電的情況下可以檢測系統(tǒng)各個關鍵點的波形和調(diào)試,、培訓等，方便用戶自行檢修和維護,。
（6）空載低損耗控制技術: 變頻系統(tǒng)在待機狀態(tài)下,，空載損耗小，經(jīng)實測比通用技術產(chǎn)品要低2～3倍,。
（7）采用矢量控制技術,，電機可四象限運行，具有不施閘懸停和力矩預置技術,。
（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）風光變頻器單元內(nèi)電解電容因采取了本公司的專利技術（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風光高壓提升機變頻器品質保證措施

為提高可靠性，風光高壓提升機變頻器采取了以下措施：
3.1設計及工藝保證措施
（1）冗余技術
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）改進吸收電路設計,，減小IGBT的電壓,、電流應力。
（3）低溫升設計
功率器件,、電解電容使用壽命和工作溫度密切相關,，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）抗干擾設計
要保證整機高可靠性運行,，應最大限度的提高整機抗干擾性能，主要從以下幾方面著手：結構設計（屏蔽,、接地隔離等措施）,、工藝設計（排板、布線等盡可能合理）,、電源設計（控制電源應良好凈化,，避免從電源引入干擾）、電路設計,、軟件設計,、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,。
3.2實驗手段保證

新風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)設計較先進、實驗能力較強大的提升機產(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,，是風光高壓提升機變頻器品質的有力保證,。
每臺風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)劃開工建設的項目。該礦副井提升電控系統(tǒng)采用交流繞線式電機轉子串電阻調(diào)速,，轉子串電阻調(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差電阻上,，造成了嚴重的能源浪費,。
(2)控制系統(tǒng)復雜，導致系統(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)恒轉矩提升,。
礦領導經(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“正轉運行”,、“反轉運行”和“變頻急?！比烽_關量信號，以及一路4～20mA“給定轉速”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)中設有深度指示失效,、限速,、過卷、反轉,、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)故障性質做出響應,，必要時實施緊急制動，確保設備及人員的安全,。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,，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,，實現(xiàn)電磁和機械互鎖。K4為轉子側雙擲開關,，變頻運行時,，K4切換到變頻側，繞線電機轉子線圈經(jīng)雙擲開關K4后處于短接狀態(tài),；工頻運行時,，K4切換到工頻側，繞線電機轉子線圈經(jīng)K4接至原調(diào)速電阻裝置,。當K1,、K3閉合，K2斷開,，K4切換到變頻側,，電機變頻運行；當K1,、K3斷開,，K2閉合，K4切換到工頻側,，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置為無旋轉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結束語

風光高壓提升機變頻器在煤礦提升機轉子串電阻電控系統(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)了高轉矩,、高精度、寬調(diào)速范圍驅動,，是交流提升機電控系統(tǒng)發(fā)展的方向,，應用前景廣闊。