高壓變頻器在煤礦主井提升機(jī)中的應(yīng)用研究

陳電星,肖　凱

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦；2.山東華聚能源股份有限公司,山東　鄒城　273500）

高壓變頻器在煤礦主井提升機(jī)中的應(yīng)用研究

陳電星1,肖凱2

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦；2.山東華聚能源股份有限公司,山東鄒城273500）

摘要：本文重點(diǎn)闡述了高壓變頻器在煤礦主井提升機(jī)中的應(yīng)用，主要包括變頻系統(tǒng)的介紹，變頻改造煤礦主井提升機(jī)，高壓變頻器的工作原理，以及應(yīng)用效果分析。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器；煤礦；提升機(jī)；應(yīng)用

0　引言

煤礦生產(chǎn)的一個(gè)重要設(shè)施是煤礦提升機(jī)，礦井提升機(jī)是礦井生產(chǎn)的咽喉，對(duì)礦井的生產(chǎn)及安全起著至關(guān)重要的作用。提煤是煤礦提升機(jī)的重要功能，在有的時(shí)候還要求提升工作者。煤礦提升機(jī)要求十分高的電氣傳動(dòng)性，這是由于電氣傳動(dòng)性的孬好直接關(guān)乎煤礦的生產(chǎn)效率，在有些情況下還會(huì)阻礙煤礦的順利生產(chǎn)，煤礦提升機(jī)的電氣系統(tǒng)需要是能夠準(zhǔn)確地定位與制動(dòng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、四象限工作、調(diào)速精度高、調(diào)速特性硬，穩(wěn)定性高等。傳統(tǒng)的大多數(shù)礦井提升機(jī)普遍使用交流繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制系統(tǒng)，這種調(diào)速方式技術(shù)落后，且運(yùn)行效果較差，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速產(chǎn)生大量的能耗；占地面積大，控制電路復(fù)雜，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)電刷等容易損壞，啟動(dòng)電流大，運(yùn)行不平穩(wěn)，噪聲大，嚴(yán)重污染礦井周圍的環(huán)境。隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)，尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，單象限高壓變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)基本成熟。最新研制的提升機(jī)高壓大功率四象限變頻調(diào)速裝置，使得提升機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)無極變頻調(diào)速，擴(kuò)大了交流提升機(jī)應(yīng)用范圍，提高了電控裝備水平。

1　變頻系統(tǒng)

1.1功率單元

變頻部分借助當(dāng)今普遍應(yīng)用的功率單元串聯(lián)H橋型多電平，變頻功率單元的設(shè)計(jì)是模塊化，有著相同的電氣與結(jié)構(gòu)性能，能夠進(jìn)行互換。它是交—直—交三相整流/單相逆變電路的基本拓?fù)洹Ｖ攸c(diǎn)涵蓋放電板、顯示板、IGBT驅(qū)動(dòng)板，主控制板（涵蓋通訊電路、故障檢測(cè)電路、控制電路）。二極管三相全波整流的整流側(cè)，脈動(dòng)的直流由電容器濾成可靠的直流電源。實(shí)施正弦PWM調(diào)控IGBT逆變橋，能夠輸出正弦單相交流。制動(dòng)IGBT借助制動(dòng)電阻釋放直流側(cè)太高的能量。過壓抑制器是為了避免剎那改變的電壓對(duì)功率器件構(gòu)成損害，有效地保護(hù)逆變電路。IGBT功率器件借助高效的熱管散熱技術(shù)進(jìn)行散熱，這使得功率器件的穩(wěn)定性和安全性大大地提高。此外，所有的變頻功率單元都可以將自身故障情況、工作狀態(tài)、中間直流電壓值等顯示出來。在功率單元出現(xiàn)故障之后能夠迅速地自行保護(hù)且將信號(hào)發(fā)給控制柜而停機(jī)。

1.2控制系統(tǒng)

PLC、工控PC機(jī)、高速單片機(jī)一起組成了控制柜。單片機(jī)的功能是網(wǎng)絡(luò)控制、迅速保護(hù)、PWM波生產(chǎn)控制、閉環(huán)或者是開環(huán)控制等，工控PC提供好的中文WINDONWS操作以及監(jiān)控界面，并且能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控，且鎖存變頻單元放電過程中的故障。內(nèi)置PLC是來邏輯處理開關(guān)量信號(hào)，聯(lián)鎖故障與運(yùn)行，能夠跟用戶場(chǎng)地接口，實(shí)現(xiàn)用戶的要求。變頻功率單元和控制柜間借助光纖傳導(dǎo)技術(shù)，能夠完全穩(wěn)定地隔離高壓部分與低壓部分，系統(tǒng)的安全性非常高，并且有著非常高的抗電磁干擾性，大大地提高了其穩(wěn)定性。

2　變頻改造煤礦主井提升機(jī)

2.1老系統(tǒng)備用

借助PLC電控系統(tǒng)與高壓變頻設(shè)備來改造固有的老系統(tǒng)，該變頻系統(tǒng)屬于提升機(jī)專用的矢量控制四象限H橋串聯(lián)多電平的高壓變頻調(diào)速設(shè)施。由于當(dāng)前的老系統(tǒng)還能夠應(yīng)用，因此不需要拆除，以此當(dāng)作備用的系統(tǒng)。

2.2手動(dòng)切換工頻

手動(dòng)工頻旁路由系統(tǒng)配置。在變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者是要求維護(hù)的時(shí)候，切換柜可以進(jìn)行工頻旁路，旁路后改變成為原先的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)。并且也改造電控工藝系統(tǒng)成為穩(wěn)定性較高的PLC電控系統(tǒng)，這樣，PLC電控系統(tǒng)能夠切換控制老系統(tǒng)。

3　高壓變頻器的工作原理

由功率柜與主控柜一起構(gòu)成了RHVC的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，作為一種技術(shù)要求比較高的節(jié)能型產(chǎn)品，實(shí)施當(dāng)今比較發(fā)達(dá)的SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)，IGBT功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)。有著穩(wěn)定性高、功率因數(shù)高和節(jié)能效果好的特點(diǎn)。三相Y接輸出的功率柜，實(shí)施每相5個(gè)功率單元輸出SPWM波相疊加的逆變器輸出，從而使得質(zhì)量比較高的正弦波輸出。借助光纖隔離技術(shù)的功率柜與主控柜間，避免了電磁的干擾，完全地隔離了低壓和高壓，有著非常高的安全性。

4　應(yīng)用效果分析

4.1直接效益

（1）高壓變頻器的應(yīng)用，使得電能的損耗大大地減少。

（2）在應(yīng)用變頻系統(tǒng)后，節(jié)省了每個(gè)提升循環(huán)所應(yīng)用的時(shí)間，這樣就能夠比固有的系統(tǒng)提升一些循環(huán)，在充足產(chǎn)能的基礎(chǔ)上，每一天都能夠大大地提高產(chǎn)能，以及系統(tǒng)還具備比較大的提速空間。

（3）新系統(tǒng)的應(yīng)用，倘若發(fā)生了故障，能夠迅速地投入應(yīng)用模塊化的備用設(shè)施，以及使得換功率單元的時(shí)間也縮短，最終使得維修導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間減少，并且也大大地降低了故障率。

4.2間接效益

（1）在工頻以下，高壓變頻調(diào)速設(shè)施借助無級(jí)調(diào)速不間斷地改變電源的頻率，能夠軟啟動(dòng)電機(jī)，這使得啟動(dòng)沖擊電流對(duì)減速器、電軸承和電機(jī)本身的沖擊都大大地減少，以及使得系統(tǒng)的使用年限延長(zhǎng)，從而也使勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度降低。

（2）無諧波特點(diǎn)的高壓變頻調(diào)速設(shè)施使電機(jī)運(yùn)行的過程中對(duì)電網(wǎng)導(dǎo)致的污染明顯地減少，在進(jìn)行測(cè)試之后，大大地提高了主井提升機(jī)的功率因數(shù)，跟固有的系統(tǒng)進(jìn)行比較，有了顯著的提高，這有利于電網(wǎng)環(huán)境的改善。

（3）裝置的故障率大大地減少，故障停機(jī)時(shí)間大大地縮短。以高壓變頻器代替固有的系統(tǒng)，有效地解決了缺少原系統(tǒng)備件的問題，新型的裝置模塊化的設(shè)計(jì)更加便于維修，倘若發(fā)生模塊故障，能夠在比較短的時(shí)間之內(nèi)進(jìn)行更換。

（4）引入單元串聯(lián)多電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無級(jí)調(diào)速，及多速度等級(jí)平穩(wěn)運(yùn)行。

（5）采用轉(zhuǎn)子帶速度反饋的矢量控制技術(shù)。在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定位坐標(biāo)下電機(jī)定子電流分解成勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流。維持勵(lì)磁電流不變，控制轉(zhuǎn)矩電流也就控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

（6）功率單元利用IGBT進(jìn)行同步整流，同步整流控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)單元電網(wǎng)輸入電壓，利用鎖相控制技術(shù)得到電網(wǎng)輸入電壓相位，控制整流逆變開關(guān)管所構(gòu)成的相位與電網(wǎng)電壓的相位差，便可控制電功率在電網(wǎng)與功率單元之間的流向。

5　對(duì)提升機(jī)高壓變頻器的技術(shù)要求

礦山提升機(jī)是煤炭企業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，要求高壓變頻器具有極高的可靠性。特別是對(duì)于副井提升，一方面用于提升人員，另一方面負(fù)載變化大。提升機(jī)對(duì)變頻器要求有以下主要特點(diǎn)：

（1）要求技術(shù)先進(jìn)，可靠性高，適應(yīng)惡劣的使用環(huán)境。

（2）要求能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，解決能量回饋，電氣減速或重物下放時(shí)變頻器將再生電能送向電網(wǎng)。

（3）啟動(dòng)力矩、低頻力矩、加速力矩、制動(dòng)力矩有嚴(yán)格要求。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩2倍以上，150%額定電流以下連續(xù)運(yùn)行，200%額定電流一分鐘保護(hù)。要求有完善的數(shù)字控制功能。

（4）調(diào)速性能平滑，范圍寬，精度高，恒轉(zhuǎn)矩低速爬行時(shí)需求速度平穩(wěn)，并滿足多速度等級(jí)長(zhǎng)期運(yùn)行。

6　結(jié)語

綜上所述,礦山提升機(jī)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有控制性能優(yōu)良、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行效率高、維護(hù)工作量小、能量反饋顯著等諸多優(yōu)點(diǎn),隨著高壓變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟與國(guó)家節(jié)能減排的必然趨勢(shì),它正成為礦山提升機(jī)傳動(dòng)的發(fā)展方向。而且改進(jìn)和完善煤礦主井提升系統(tǒng)屬于一項(xiàng)綜合性的配套工程，而其中的主體工程就是高壓變頻調(diào)速器，在順利地運(yùn)行此項(xiàng)后，煤礦節(jié)能增產(chǎn)的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，并且實(shí)現(xiàn)了好的社會(huì)效益與企業(yè)效益，它受到了煤礦企業(yè)的青睞。為此，高壓變頻調(diào)速器的發(fā)展前景非常看好。

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