礦井主提升機高壓變頻調速裝置技術運用

陳 涌 沈立明

（1.淮北礦業集團岱河煤礦機電科，安徽 淮北235038 2.鐵法煤業集團有限責任公司大興礦，遼寧 調兵山 112700）

1 目的與意義

傳統老礦井提升機普遍使用交流繞線式電機轉子串電阻調速控制系統，調速方式技術落后，且運行效果差，表現在提升機調速性能差，運行速度單一，不能做到多級速度運行；特別在負載變動時很難實現恒加減速控制，經常會造成過放和過卷事故。提升機頻繁的啟動和制動工作過程會使轉子串電阻調速產生大量的能耗；外接電阻及切換柜占地面積大；轉子串電阻調速控制電路復雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，影響生產效益。電機頻繁啟動，雖然轉子電阻能限制啟動電流，但啟動電流仍然很大，對電機及提升設備產生很大沖擊，影響使用壽命；且運行不平穩，需要通過抱閘配合，很難實現準確定位，司機在操作過程中一直處于高度緊張狀態；啟動和制動時，噪聲大，嚴重污染環境。

隨著電氣傳動技術,尤其是變頻調速技術的發展,單象限高壓變頻調速技術已經基本成熟。高壓電機采用變頻調速技術實現無級調速,從而滿足生產工藝對電機調速控制的要求,能大幅度節約能源,降低了生產成本。提升機高壓大功率四象限變頻調速裝置，使提升機在整個運行過程中實現無極變頻調速，擴大交流提升機應用范圍，提高電控裝備水平。

2 提升機對高壓變頻器的要求

礦山提升機是煤炭企業生產的關鍵設備，一旦提升機不能正常工作，將造成全礦停產，造成巨大經濟損失，因此要求高壓變頻器具有極高的可靠性。由于提升機類負載對變頻器有著諸多特殊的要求，所以一般普通高壓變頻器不可能直接用到提升機上。特別是對于副井提升，一方面用于提升人員，另一方面負載變化大，存在多種工況條件，如輕、重載、提升、下放等，對起動轉矩要求比較大。綜合來說，提升機對變頻器要求有以下主要特點：（1）要求技術先進，可靠性高，適應惡劣的使用環境；（2）要求能實現四象限運行，解決能量回饋，電氣減速或重物下放時變頻器將再生電能送向電網；（3）啟動力矩、低頻力矩、加速力矩、制動力矩有嚴格要求。 啟動轉矩2倍以上，150%額定電流以下連續運行，200%額定電流一分鐘保護。要求有完善的數字控制功能。（4）調速性能平滑，范圍寬，精度高，恒轉矩低速爬行時需求速度平穩，并滿足多速度等級長期運行。

3 相關技術的應用

（1）高壓變頻器技術

引入單元串聯多電平高壓變頻調速技術，可以實現系統無級調速，及多速度等級平穩運行。只要在變頻器內改變輸出電壓相序，實現提升機正反轉運行，而不需要換向裝置。

（2）有速度傳感器的矢量控制技術

轉子帶速度反饋的矢量控制技術。在轉子磁場定位坐標下電機定子電流分解成勵磁電流與轉矩電流。維持勵磁電流不變，控制轉矩電流也就控制電機轉矩。電機轉速采用閉環控制。實現運行中給定轉速與實際轉速的差值通過PID調節生成轉矩電流IT。經過矢量變換將IT、IM變換為電機三相給定電流Ia*、Ib*、Ic*，它們與電機運行電流相比較生成三相驅動信號，從而實現了對電機轉矩的直接控制。

在功率單元串聯高壓變頻器技術基礎上，首先采用矢量控制技術，攻克了功率單元串聯的矢量控制技術這一難題，從而使得系統具有較高的動態轉矩控制性能，矢量控制技術由于實現了電機勵磁電流與轉矩電流之間的解耦，電機轉矩易于控制，因而實現了礦井提升重載起動，且與傳統提升機相比，獲得同樣的轉矩所對應的電機電流小。

（3）功率單元同步整流技術

功率單元利用IGBT進行同步整流，同步整流控制器實時檢測單元電網輸入電壓，利用鎖相控制技術得到電網輸入電壓相位，控制整流逆變開關管所構成的相位與電網電壓的相位差，便可控制電功率在電網與功率單元之間的流向。逆變相位超前，功率單元將電能回饋給電網，反之電功率由電網注入功率單元。電功率大小與相位差成正比。電功率的大小及流向由單元電壓決定，就同步整流而言，整流側相當于一個穩壓電源，與電功率大小及方向相對應的電網與逆變相位差由單元電壓與單元整定值之間的偏差通過PID調節生成。

實現功率單元同步整流技術，在功率單元串聯型高壓變頻器內，首先采用功率單元同步整流，解決了電網電能與變頻器之間能量雙向傳遞這一技術難題，提升情形下，同步整流從電網中吸取電能通過電機將電能轉化成機械能，提升重物，快速制動或重物下降時電機處于發生電狀態，電機將機械轉換成電能注入功率單元，此時同步整流電路將注入的電功率單元輸送給電網，系統處于發電狀態實現了能量回饋這一功能。

結論：將現代交流傳動中最先進的矢量控制技術及同步整流技術引入到功率單元串聯型高壓變頻器中。推出集高性能轉矩控制與能量回饋技術于一身的矢量控制高壓變頻器，特別適用于礦井提升這一應用場合。傳統的變頻器主要采用變頻變壓控制方式，無法做到轉矩解耦控制，動態過程中形成轉矩振蕩，且低速開關管死區影響及低頻時電機齒槽的影響，轉矩脈沖大，因此很難實現低速大轉矩，不能滿足提升這一特殊要求。將矢量控制這一先進技術應用到高壓變頻器中，攻克功率單元串聯與矢量控制技術之間組合這一技術難題，實現高壓變頻矢量控制技術，可為高壓變頻在提升等領域廣泛應用開辟廣闊的空間。

同步整流技術運用到高壓變頻功率單元中，讓每一個功率單元不僅具備正常整流功能，而且還具備100%的能量回饋能力，從而為高壓變頻器完成急起、急停、重物下放等工作提供了技術保障。一般情況下，高壓變頻器解決能量回饋問題非常困難，一般在功率單元中安裝制動電阻，當系統快速制動或重物下放時，產生的回饋功率讓功率電阻消耗，這對于處理小功能回饋問題是可以的，但對于提升機大慣量系統快速制動或重物連續高速下放，靠功率電阻消耗也很難滿足要求，不能處理大功率能量回饋問題，實現同步整流技術，系統不僅能處理回饋大功率，而且還能發電節能，提高了系統的能源利用效率。

在高壓變頻器技術基礎上，應用矢量控制及同步整流技術，讓系統不僅具備優越的轉矩控制性能，而且能實現大轉動慣量快速制動及重物下放所帶來的大功率能量回饋。使高壓變頻調速電控系統不僅提高了礦山交流提升系統的安全性和可靠性，確保了提升機高質量運行，而且實現了高轉矩、高精度、寬調速范圍驅動，是交流提升機電控系統發展的方向，應用前景廣闊。

[1]《變頻器應用技術與實踐》ISBN9787508385020，作者：張選正，中國電力出版社。

[2]《圖解變頻器應用》ISBN9787508383965，作者：李燕，中國電力出版社。

[3]《交流電機控制基礎》ISBN9787122065735，作者：李珍國，化學工業出版社。

[4]《高壓大功率變頻器技術原理與應用》ISBN9787115170200，作者：利德化福，人民郵電出版社。

[5]《交流變頻調速技術》ISNB9787810778730作者：何超，北京航空航天大學出版社。

[6]《中高壓變頻器應用技術》ISBN9787121045189，作者：張選正，電子工業出版社。

[7]《高壓大功率交流變頻調速技術》ISBN9787111192183，作者：楊梅，機械工業出版社。

[8]《電機拖動與控制技術》ISBN9787121037795，作者：程周，電子工業出版社。