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1 用戶情況介紹

陜西某煤礦年生產(chǎn)能力為1500萬噸,，提升絞車采用雙軸驅(qū)動(dòng)提升,，該提升電控系統(tǒng)采用交流繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速,，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬有級(jí)調(diào)速,，調(diào)速范圍受限，調(diào)速精度低,，在減速時(shí)和下放重物時(shí),，浪費(fèi)了大量的電能。

提升機(jī)采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),，電機(jī)的調(diào)速方式采用傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速方式,，該調(diào)速方式屬于落后技術(shù)，存在以下缺點(diǎn)：
(1)大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上,，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi),。
(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(jī)碳刷容易損壞,，維護(hù)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(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制,，特別是在負(fù)載發(fā)生變化時(shí),，很難實(shí)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(dòng)和換檔沖擊電流大，造成了很大的機(jī)械沖擊,，導(dǎo)致電機(jī)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(dòng)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(dòng)力矩小，機(jī)械特性比較軟,，帶負(fù)載能力差,，無法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。

為了提升煤礦提升電控的控制水平,，降低損耗,，國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)政策，要求煤礦上繞線式電機(jī)必須進(jìn)行改造,，采用變頻控制進(jìn)行拖動(dòng)煤礦提升絞車,。

礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過研究對(duì)比考察，決定選用新風(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(jī)變頻器2臺(tái),，分別控制提升絞車的兩臺(tái)電機(jī),，改造取得了成功。
該煤礦礦井提升機(jī)兩臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)參數(shù)表1,。風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器具體參數(shù)如表2所示,。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備圖

2風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器性能特點(diǎn)

為解決電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量,，國(guó)內(nèi)在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動(dòng)方式,，即通過內(nèi)置或外加制動(dòng)電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行,，該方法雖然簡(jiǎn)單,，但缺點(diǎn)是顯而易見的： (1)浪費(fèi)能量，降低了系統(tǒng)的效率,；(2)電阻發(fā)熱嚴(yán)重,，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作；(3)簡(jiǎn)單的能耗制動(dòng)有時(shí)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓,，限制了制動(dòng)性能的提高,。

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，并克服傳統(tǒng)制動(dòng)方法的并聯(lián)電阻消耗能量造成的浪費(fèi),，新風(fēng)光率先研制了提升機(jī)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(jìn)行PWM控制，使能量雙向流動(dòng),，使電機(jī)四象限運(yùn)行,；使電機(jī)很快達(dá)到速度要求，動(dòng)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,，在以高速DSP（TMS320F2812）為控制核心，結(jié)合無速度傳感器矢量控制技術(shù),，融合了能量回饋技術(shù),，以及IGBT大電流驅(qū)動(dòng)技術(shù),，是新一代高性能完美無諧波高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品的典型代表。矢量控制功能使得異步電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,，動(dòng)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(yùn)行能力,，能量可以在電網(wǎng)和電機(jī)之間雙向流動(dòng)。

風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器在工作中具有以下特點(diǎn)：
①當(dāng)電機(jī)處于拖動(dòng)狀態(tài)時(shí),，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(jī)。
②當(dāng)電機(jī)進(jìn)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(shí)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(dòng),。
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(diǎn)是制動(dòng)力矩大,，調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好,。
能量傳遞過程通過圖2所示,。

圖2能量傳遞過程控制框圖

風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器除具有普通高壓變頻器的功能外，還針對(duì)絞車控制,，具有以下突出特點(diǎn)：
（1）電源輸入勵(lì)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(shí)的沖擊電流小,，對(duì)電網(wǎng)的沖擊也很小。
（2）系統(tǒng)斷電自動(dòng)保護(hù)技術(shù)：確保任何情況下系統(tǒng)都能安全運(yùn)行,。如果沒有：提升機(jī)重載下放過程中,，遇到系統(tǒng)停電時(shí)，會(huì)造成單元損壞甚至整個(gè)系統(tǒng)癱瘓,。
（3）變頻裝置為直接高-高結(jié)構(gòu),，直接6kV輸入，直接6kV輸出,，可以直接安裝使用,不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任何改造,。
（4）功率單元自動(dòng)旁路技術(shù)：在提升機(jī)運(yùn)行過程中，意外出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)功率單元故障時(shí),，系統(tǒng)可以自動(dòng)將故障單元旁路,，系統(tǒng)進(jìn)入星點(diǎn)偏移控制,，保持輸出的線電壓平衡，同時(shí)保持較大輸出轉(zhuǎn)矩,、電壓,，完成本次提升任務(wù)。
（5）獨(dú)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(cè)系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的波形和調(diào)試,、培訓(xùn)等,，方便用戶自行檢修和維護(hù)。
（6）空載低損耗控制技術(shù):變頻系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)下,，空載損耗小,，經(jīng)實(shí)測(cè)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(jī)可四象限運(yùn)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(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)：1～2個(gè)單元故障可以旁路,，完成一個(gè)提升循環(huán),。提升機(jī)滿載、全速提升和下放電源停電試驗(yàn),，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(hào)ZL 2003 2 017356.2），可以將其使用壽命提高一倍,。
（10）提升機(jī)變頻器具有回饋制動(dòng),、直流制動(dòng)、安全制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)等多項(xiàng)制動(dòng)方式,，保證了絞車可靠運(yùn)行,。
（11）具有多機(jī)主從控制功能
（12）具有完備的與電控系統(tǒng)對(duì)接的各個(gè)接口，實(shí)現(xiàn)與電控系統(tǒng)無縫連接,。
3高壓提升機(jī)改造主回路方案及基本控制功能

煤礦為了節(jié)能投資,，把原有繞線式轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行短接，采用變頻器直接拖動(dòng)絞車電動(dòng)機(jī),，采用主從控制功能,，兩臺(tái)高壓提升機(jī)變頻器的主回路改造相同，以其中1#變頻器為例進(jìn)行說明,，主回路如圖3所示：

圖3  主回路圖

圖3中K1,、K3為二臺(tái)高壓隔離開關(guān)，當(dāng)高壓變頻器檢修時(shí),，保證檢修工的人身安全,。為了保證安全，變頻器高壓連跳信號(hào)和上一級(jí)的高壓斷路器也實(shí)現(xiàn)互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級(jí)高壓斷路器的脫扣線圈,，變頻器出現(xiàn)故障時(shí),，上一級(jí)的高壓斷路器斷開，實(shí)現(xiàn)高壓故障連跳功能,。

高壓提升機(jī)變頻器是整個(gè)改造系統(tǒng)的一個(gè)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(dòng)控制的操作臺(tái)運(yùn)行時(shí),，電控臺(tái)向變頻器發(fā)出“正轉(zhuǎn)運(yùn)行”,、“反轉(zhuǎn)運(yùn)行”和“變頻急停”三路開關(guān)量信號(hào),，以及一路4～20mA“給定轉(zhuǎn)速”信號(hào),。變頻器向電控臺(tái)發(fā)出“變頻器待機(jī)”、“變頻器故障”和“安全回路”三路開關(guān)量信號(hào),，以及用于顯示的模擬量輸出信號(hào),。電控臺(tái)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(tái)發(fā)出電機(jī)轉(zhuǎn)速及絞車位置信號(hào)。電控臺(tái)接受絞車司機(jī)的操作指令,。
整個(gè)提升機(jī)系統(tǒng)中設(shè)有深度指示失效,、限速、過卷,、反轉(zhuǎn),、制動(dòng)油過壓,、閘瓦磨損,、松繩、速度監(jiān)視,、制動(dòng)油超溫,、潤(rùn)滑油超壓欠壓、變頻器的輕重故障等保護(hù)功能,。系統(tǒng)能根據(jù)故障性質(zhì)做出響應(yīng),，必要時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)，確保設(shè)備及人員的安全,。
4煤礦提升機(jī)變頻調(diào)速方案設(shè)計(jì)選擇分析

該煤礦提升機(jī)系統(tǒng)中由2臺(tái)電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng),，這樣在變頻調(diào)速改造中就面臨雙機(jī)驅(qū)動(dòng)的問題。因此,，在改造過程中,，是選擇一拖二控制方案，還是選擇主從控制方案。提升機(jī)雙機(jī)拖動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心問題是如何處理提升系統(tǒng)中各電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩平衡問題,。
4.1 “一拖二”方案

“一拖二”方案中,，如果存在電機(jī)的參數(shù)差異、減速機(jī)存在加工上的差異等等因素,，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中兩臺(tái)電機(jī)的輸出功率有差異,。當(dāng)采用變頻器“一拖二”方案時(shí)，在運(yùn)行過程中兩臺(tái)電機(jī)出力不均勻時(shí),，必將導(dǎo)致一臺(tái)電機(jī)過載而另一臺(tái)電機(jī)欠載,，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使過載的電機(jī)燒毀，甚至可能使變頻器主回路的功率模塊損壞,。采用“一拖二”方案有以下弊端：一是變頻器不能有效的分配兩臺(tái)電機(jī)的功率,；二是變頻器不能有效的保護(hù)每一臺(tái)電機(jī)。鑒于以上原因,，該煤礦領(lǐng)導(dǎo)考慮皮帶機(jī)電機(jī)控制選擇“雙機(jī)主從”方案,。
4.2 “主從”控制方案

控制方案采用兩臺(tái)變頻器分別拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，采用主從控制,。雙機(jī)主從控制是由完全獨(dú)立的兩臺(tái)變頻器通過主,、從機(jī)的通訊方式保證雙電機(jī)的協(xié)調(diào)控制。兩臺(tái)電機(jī)中任意一臺(tái)都可作為主機(jī),，另一臺(tái)為從機(jī) (參數(shù)主從機(jī)選擇主機(jī)設(shè)為1,，從機(jī)設(shè)為0)，也可在顯示畫面上更改為單機(jī)運(yùn)行模式,。兩臺(tái)變頻器與操作臺(tái)都有控制信號(hào)線連接,，兩臺(tái)變頻器之間用光纖通信。
提升機(jī)主從控制原理如圖4所示,。該煤礦提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)采用2臺(tái)JD-BP37-1400T（1400kW/6kV）高壓變頻器分別控制2臺(tái)1250kW高壓電機(jī),，選用1#變頻器為主變頻器，2#變頻器為從變頻器,，主機(jī)變頻器用于實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信,，由操作臺(tái)上位機(jī)發(fā)給主變頻器給定頻率值。主,、從變頻器的電源輸入端分別與電網(wǎng)相連接,，輸出端分別與1#、2#電動(dòng)機(jī)的定子輸入端相連接,；主機(jī)變頻器與從機(jī)變頻器之間通過光纖相通信,，主機(jī)采用速度控制，從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制,，同時(shí)主,、從機(jī)變頻器通過檢測(cè)相應(yīng)輸出的有功電流大小來對(duì)運(yùn)行頻率做調(diào)整,，以達(dá)到兩個(gè)電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩平衡目的,。

圖4 提升機(jī)兩臺(tái)電機(jī)主從控制原理圖

5現(xiàn)場(chǎng)變頻改造情況

主井提升機(jī)于2017年11月14日一次性投運(yùn)成功,，已連續(xù)運(yùn)行正常至今。提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行如圖5所示,。提升絞車變頻改造后,，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)加減速過程的平穩(wěn)控制，運(yùn)行過程纜繩擺幅明顯減小,，人員升降舒適性明顯提高,，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流與啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)顯著降低。自動(dòng)化電控系統(tǒng)很好地防止提升機(jī)過卷和過放事故發(fā)生,；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。采用主從控制解決了兩臺(tái)電機(jī)協(xié)調(diào)控制的問題,。經(jīng)過實(shí)測(cè),，變頻改造后，在提升產(chǎn)量相同的情況下,，變頻運(yùn)行時(shí)比工頻節(jié)能20%以上,。

圖5 風(fēng)光高壓提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖

6結(jié)束語

風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器在主井提升機(jī)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(hù)費(fèi)用,，節(jié)能效果明顯，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩,、高精度,、寬調(diào)速范圍驅(qū)動(dòng)。風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器具有優(yōu)異的控制性能,，可以完全輕松解決提升機(jī)設(shè)備改造過程中的各種問題,，提升機(jī)采用變頻控制，是交流提升機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展的方向,，應(yīng)用前景廣闊,。