矢量控制變頻技術在架空乘人裝置中的應用

李現政

（兗礦集團貴州能化黔西能源有限公司青龍礦，貴州 黔西 551500）

矢量控制變頻技術在架空乘人裝置中的應用

李現政

（兗礦集團貴州能化黔西能源有限公司青龍礦，貴州 黔西 551500）

架空乘人裝置，俗稱“猴車”，在煤礦中廣泛應用于斜巷人員運輸。因其運行的安全性、可靠性直接關系到職工的人身安全，在對架空乘人裝置的控制要求必須實現安全性、穩定性、精確性和舒適性。因此我們在架空乘人裝置的現代化集成數控系統中采用了能將電機產生的反向電能回饋給電網的高性能四象限運行矢量控制變頻器。不僅解決了一般變頻器的功率電阻問題，而且通過反饋系統節約了電能。

矢量控制；架空乘人裝置；變頻技術

1 引言

青龍礦是一個年產120萬噸的現代化煤礦，其現代化程度高、設備先進，其中就有變頻技術的廣泛應用，在架空乘人裝置上的應用便是一例。架空乘人裝置，俗稱“猴車”，在煤礦中廣泛應用于斜巷人員運輸。因其運行的安全性、可靠性直接關系到職工的人身安全，在對架空乘人裝置的控制要求必須實現安全性、穩定性、精確性和舒適性。

隨著現代電力電子技術的發展，對架空乘人裝置動力控制的要求向著數字精確控制的方向發展，對架空乘人裝置提出了越來越高的要求。要求架空乘人裝置可以與絞車閉鎖；運行更加安全、可靠；可以利用計算機監控并實現靜態上下車；精確定位人員位置防止越位；緊急停車；安全舒適等。而且在節能減排實現企業可持續發展的今天對系統的工作效益也提出了更高要求。

2 變頻技術概述

老式架空乘人裝置驅動部份一般是采用開關軟啟動方式，調速方式采用簡單大電阻調速，甚至不調速。這兩種方式都達不到現代數字集成控制技術的控制要求。而交流變頻調速方式其系統的集成化、精確化、數字化以及低維護等特點卻可以與現代集成控制技術完美對接。

但交流變頻技術中單一的V/F恒定控制和簡單的電壓空間矢量控制的方式可控性和精確性仍然滿足不了現代集成系統中數字化控制中的系統需求。而本單位采用的四象限矢量控制變頻技術有更高的數字化性能。其可實現電機精準控制、可擴展的通訊接口、多位數字量和模擬量接口、尤其是矢量控制方式的無傳感器特點對工作場所的適應能力等，正是這些優點保證了架空乘人裝置的控制實現了數字化控制要求。

架空乘人裝置是在一定傾角的斜巷中運送人員的設備。在人員上行時，電動機處于消耗電能狀態；在人員下行時電動機卻處于產生電能狀態。在一般二象限變頻器控制時，其往往要采取能耗制動的方式，例如加裝功率電阻，但功率電阻的大個頭和產生的高熱量，給整個系統的空間布局和系統散熱帶來了很大的困擾。因此我們在架空乘人裝置的現代化集成數控系統中采用了能將電機產生的反向電能回饋給電網的高性能四象限運行矢量控制變頻器。不僅解決了一般變頻器的功率電阻問題，而且通過反饋系統節約了電能。

架空乘人裝置的運行分為兩個部分，一是在人員上行時從供電網絡中消耗電能，二是在人員下行時產生電能回饋給供電網絡。在理論上節約能量是100%的，但由于機械磨擦力、阻尼系數、電器部件本身的損耗等因素影響，其系統節能率可達80%—90%。我礦架空乘人裝置就使用了回饋型四象限矢量控制變頻器技術。

3 矢量變頻器的結構和工作方式

它由PIU整流單元、VDC控制單元、VDI逆變單元三個單元組成，如下圖。

3.1 整流單元（PIU單元）

此部份由濾波器（L-C-L）、控制開關和抑流電阻組成。作用是對輸入回路的進出電壓進行波形整定以及為全系統作預充電。啟動時通過可調限流電阻的方式對系統的整個直流回路的電容進行慢充電同時命令旁路電阻執行工作狀態。

整個系統輸入電壓范圍寬度小于PIU內濾波器（L-C-L）的工作電壓范圍寬度，這樣的好處是：一是有效的濾除了電網的高次諧波，二是提高了電網的利用質量。因為當變頻器四象限運行時，經VDC單元回饋的諧調電壓波被濾波器（L-C-L）平定為標準正弦波然后再反饋給電網。

3.2 電壓控制單元（VDC）

1）VDC是電壓控制單元，主要由IGBT組成。它有兩種工作狀態，一是正力矩工作狀態，將經過PIU濾波后的三相交流電源進行整流和控制，并根據預先設定的參數為VDI逆變器提供穩定的DC電源；二是負轉矩工作狀態，根據比較輸入的電壓數值、相序，把DC母線上過剩的電壓經過逆變變成三相諧波，再經PIU單元調諧成標準的三相正弦波并回饋電網。

2）VDC單元的控制方式采用多點回饋的方式。通過檢測輸入回路的電壓，根據實際檢測到的輸入電壓數值來自動調整回饋點電壓數值，直到在回饋的作用下輸入電壓數值上升到過壓保護的數值為止。這種回饋方式保證了礦區電網有大的波動時系統也能安全工作。具體工作方式為：VDC在電網輸入電壓正常時根據原先設定的回饋工作點進行工作；當檢測到輸入電壓上升導致原回饋點不能滿足回饋要求時，系統將自動將回饋點向上調整到能滿足回饋要求的回饋點。這樣可以更有效的節約電能，降低成本。

3）VDC具有LINE CONNECTION TEST 自檢自動保護功能。它能實時自動檢測VDC和PIU之間的連線狀態，并在檢測過程中發生連線錯誤時會自動調整保護等級自動保護VDC，保證不會輕易損傷VDC及其它設備。在進入工作前VDC 還將實行AC LINE TUNING和DC BUS TUNING即檢測交流回路和直流回路的阻抗值為準確穩定控制VDC的電流和DC BUS的電壓值建立模型，從而保證了為VDI提供準確穩定的電源保證了VDI的穩定工作。

3.3 VDI矢量控制逆變單元

架空乘人裝置中要做到安全、可靠、舒適、靜止人員上下、防止越位等，就要求鋼絲繩的運行穩定、速度均勻、制動可靠。

前面的直流電在逆變單元經過震蕩電路變為交流，在經過波形處理，最終輸出頻率可調的交流電供給電機。

4 使用情況

1）安全性能高，故障率低，運行穩定。我礦2004年在主斜井安裝一部變頻控制的架空乘人裝置，如今已安全運行10年。又在2013年在二采區安裝了同樣的矢量變頻架空乘人裝置。使用以來，運行正常，從未有重大故障，日常維護簡單，乘坐舒適，受到廣大職工好評。

2）節能降耗。由于采用回饋電路，工作中除去機械摩擦，電路損耗，發熱等，其節能率高達85%。以我礦主井架空乘人裝置為例，功率200KW，每天運行18小時，每月運行30天，其每月的節電率為：200×18×30×85%=91800kwh，以目前工業用電每千瓦時0.6元計算每月可節省用電開支91800×0.6=55080元，經濟效益明顯。

5 結論

隨著科學技術的發展和生產技術的需求，變頻技術在現代化大型煤礦的應用必然越來越廣泛。在人員提升、物料提升運輸中將有越來越多的變頻設備，如索車、大型絞車、架空乘人裝置等等。新技術的應用必將人們帶來巨大的生產便利，同時也對人們的技術水平提出了更高的要求，同時也將對煤礦的開采和建設有著重大和深遠影響。

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李現政（1983-），男，漢族。2005年畢業于青島大學電氣工程及其自動化專業?，F在兗礦集團貴州能化黔西能源有限公司青龍礦從事機電技術工作，助理工程師。