高壓變頻調速器在煤礦提升系統中的應用

李海斌

(大同煤礦集團公司煤峪口礦)

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高壓變頻調速器在煤礦提升系統中的應用

李海斌

(大同煤礦集團公司煤峪口礦)

摘要很多礦井提升機系統在運行過程中存在電流沖擊大等問題，嚴重影響了礦井的正常生產。以某礦提升機系統為例，分析了提升機系統存在的問題，通過高壓變頻調速器對其進行改造，改造后系統整體穩定、可靠，沒有出現比較大的故障，較好實現了軟啟動和軟停止，節能效果顯著，投資和維護費用低,具有較好的推廣價值。

關鍵詞高壓變頻調速器礦井提升機優化改造

目前，我國提升機絞車多采用繞線式異步電動機驅動方式，通過轉子串電阻實現調速，即有級調速[1]。這種調速方式存在較多的問題，低速運轉時，轉矩較小，需要較大的轉差功率，啟動或換擋時會產生較大的電流沖擊；中高速運轉時會產生嚴重的振動問題，制動過程存在安全隱患且性能可靠性差，無法有效處理再生能量；在減速直至停止階段，“過卷”問題頻繁發生[2]，而且容易出現故障，運行效率較低。因此，急需對此類提升系統進行改造。

1高壓變頻調速器構成

JDBP37型高壓提升變頻器實現了全數字化，通過彩色液晶觸摸屏進行控制，以IGBT為主控器件[3]，性能優越。提升機在四象限運行過程中，通過先進的矢量控制變頻調速技術實現對繞線式轉子串電阻電機的控制[4]。

1.1系統結構

該高壓提升變頻調速器是通過若干低壓逆變器功率單元實現直接高壓輸出，這些低壓逆變器功率單元采用串聯方式。提升機采用6 kV高壓提升變頻器，其中，變壓器包括18組付邊繞組，每相包括6個功率單元，共三相。高壓提升變頻調速器系統結構見圖1。

1.2功率單元結構

各功率單元在結構上完全一致，因而可互相替換，其主電路結構見圖2。整流橋采用三相全橋式，整流工作完成后，對濾波電容進行充電，測出母線電壓，為更好實現單相逆變，應采用正弦PWM對IGBT逆變橋進行控制。若電機發電，逆變塊B中的二極管不僅具有續流作用，還具有整流作用，從而實現能量往電容中的轉移，使得母線電壓增高，當電壓增加至某一定值后，逆變塊A自行啟動，實現SPWM逆變，回歸到移相變壓器的次極，這是通過電感輸入實現的，而后進行能量回歸電網工作，這是通過變壓器實現的。

圖1　高壓提升變頻調速器系統結構

圖2　功率單元主電路結構

1.3輸入側結構

輸入側是通過移相變壓器對每個單元供電，各功率單元均具有相同的電機電流，電壓均為1/6相電壓，功率均為1/18輸出功率。各單元各有一套獨立的三相輸入繞組，且相互絕緣，變壓器二次繞組之間也具有這一特性。為實現多重化，有效減少輸入電流中的諧波，二次繞組采用延邊三角形連接方式。

1.4輸出側結構

輸出側是通過各單元的U、V輸出端子來實現電機供電，其中，各輸出端子采用串接式星型接法。輸出端子實現對各單元PWM波形的重組，以獲得階梯PWM波形。這種波形具有正弦度好的特點，變化速率小，可大大降低對電纜和電機造成的絕緣損壞，滿足電機在額定電壓下的運轉[5]。此外，可極大地減少因電機諧波而造成的電耗，避免了機械振動問題，也大大減少了某些部位的機械應力，如軸承和葉片等處。

1.5控制器

控制器核心主要由以下兩部分組成：高速DSP和工控PC機。二者的協同運算實現了控制器核心的功能，這一算法是專門針對本礦提升機系統而設計的，可使電機在運行過程中達到最優化效果。工控PC機還包括監控和操作界面等功能，這樣既可更好進行遠程監控，又可實現網絡化操作。控制器的主要功能是對柜體內的開關信號進行邏輯處理，同時還能夠實現與現場各種信號的協調，這使得系統具有很好的靈活性。

2高壓變頻調速器主要技術性能

(1)采用高-高電壓源型變頻器，可不需其他變壓器或濾波器，這在普通高壓電動機中應用較為廣泛，且對電機、電纜絕緣，不會產生任何不良影響。

(2)輸入的功率具有因數高的特點，電流具有較小的諧波，不需要對功率進行補償，也不需要對諧波進行抑制。

(3)由于單元電路采用模塊化設計，具有維護簡單的特點，且具有較強的互換性。

(4)可提供較大的轉矩，一般會大于2倍啟動轉矩。

3高壓變頻調速系統基本控制性能

3.1直流制動

若重車出現停車情況，PLC會檢測到停機信號并發送至控制器，通過控制器實現提升機的平穩降速，進而停止；若PLC接收到機械振動信號后，就會向控制器發出相應的控制信號，實現直流制動信號的消除。啟動之前，需給提升機發送一直流制動信號，若PLC接收到這一信號，就會給控制器發出相應的信號，而后在啟動電壓的作用下實現提升機的啟動。

3.2運行速度控制

為實現提升機運行過程中的無機械沖擊問題，應保證提升機在開停過程中的加速度連續，同時還應保證各頻率均有相對應的加減速速率。在高壓變頻調速系統運行過程中，檢測到不同頻率所對應的加減速速率，并將其制作成一個表格，在系統運行中可通過此表格來確定各頻率所對應的加減速速率，這樣可保證提升機的平穩運行，有效避免機械沖擊。

3.3自動限速保護

在提升機接近終點時，通過限速開關發出減速信號，PLC會接收到這一信號并發送至控制器，控制器自動開啟減速程序，進而實現由高速運行到低速運行的轉變。提升機上安設了測速發電機，若其發出超速信號，PLC會接收到信號并傳送至控制器，進而實現提升機的減速。

3.4再生能量處理

功率單元可有效處理再生能量。如圖3所示，電機發電，功率單元母線電壓Vbus在不斷增加，若母線電壓大于電網電壓的1.1倍，CPU就會輸出六路的SPWM波形，這一工作是根據比較器和相位檢測的結果實現的，接著逆變塊A中的IGBT就會進入工作狀態，在輸入電感的作用下，通過移相變壓器實現再生能量向電網回饋的過程。

圖3　單元控制框

4應用效果

(1)改造后的變頻系統不再采用交流接觸器和調速電阻，大大提高了系統的穩定性和運行的可靠性，給工作人員的操作創造了良好的工作環境，減小了噪音，降低了室內溫度。

(2)實現了連續調速，連續平穩調節的目的。低頻低壓情況下的軟啟動和軟停止功能增強，使得提升機平穩運行，避免了機械沖擊。

(3)在載荷條件下，提升機可由低速平穩實現高速轉變，在此過程中，沒有出現較大的電流，從而大大降低了對電網的沖擊程度。

(4)電耗量低，節能效果良好；設備投資少，維護成本低。

5結論

通過礦山提升機變頻調速系統的改造，實現了提升系統安全穩定的運行，改善了工作人員的作業環境，且設備投資少，維護成本低，節能效果顯著；高壓變頻調速技術及裝置會得到充分發展，在更多領域會有更廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]王清靈,龔幼民.現代礦井提升機電控系統[M].北京:機械工業出版社,1996.

[2]沈安文，萬淑蕓,王離九,等.雙PWM交流傳動系統中主電路儲能元件設計[J].華中理工大學學報,1999,27(7):23-25.

[3]陳伯時.高性能的通用變頻器[J].變頻器世界，2004(6):51-54.

[4]黃仰金.礦山副井提升機計算機控制系統的設計及應用[D].長沙：中南大學，2004.

[5]周建榮,平靜.ABB礦井提升機控制系統及應用[J].工程設計CAD及自動化,1995(6):40-41.

李海斌(1975—)，男，工程師,037041 山西省大同市。