高壓變頻器在主井提升機上的應(yīng)用

一、 概述
    煤礦提升機是煤礦生產(chǎn)的四大件設(shè)備之一，在生產(chǎn)中具有非常重要的地位。煤礦主井提升機主要作用是提煤，特殊情況下可能需要提升工作人員。
    煤礦提升機對電氣傳動性能要求非常高，因為電氣傳動性能的好壞，會影響煤礦的生產(chǎn)效率，嚴(yán)重的甚至能影響煤礦的正常生產(chǎn)，煤礦提升機電氣系統(tǒng)要求可靠性高，調(diào)速特性硬，調(diào)速精度高，四象限運行，動態(tài)響應(yīng)速度快，可以準(zhǔn)確制動和定位。
    目前國內(nèi)的煤礦提升機調(diào)速系統(tǒng)主要有直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)，這里對直流調(diào)速系統(tǒng)不詳細(xì)分析，主要闡述交流調(diào)速系統(tǒng)。交流調(diào)速系統(tǒng)分為同步機調(diào)速系統(tǒng)和異步機調(diào)速系統(tǒng)，同步機主要用交交變頻器調(diào)速，異步電機主要用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。交直交高壓變頻器進入提升系統(tǒng)領(lǐng)域后，同步機和異步機的調(diào)速發(fā)展趨勢是會統(tǒng)一到交直交高壓變頻調(diào)速。
    在高壓變頻器領(lǐng)域，中國的民族企業(yè)已經(jīng)走在世界的前列，國產(chǎn)高壓四象限變頻器的性能，已經(jīng)能夠和國際一些大品牌傳動廠商的產(chǎn)品性能相媲美了。在比國外產(chǎn)品具有更高的性價比的前提下，產(chǎn)品逐步得到用戶的認(rèn)可，在國內(nèi)市場的占有率迅速提高。
    河南神火煤電股份有限公司葛店煤礦在2008年主井?dāng)U建改造時，將原2.5m絞車更換為2JK-3/11.5E絞車，電控系統(tǒng)采用高壓變頻PLC電控系統(tǒng)。

2、 一次回路和控制系統(tǒng)
    一次回路采用變頻一用一備的方式提高整個系統(tǒng)的可靠性。一次回路系統(tǒng)圖如圖2所示。
 

圖2 一次回路圖

    控制系統(tǒng)包括制動系統(tǒng)，即液壓站和盤型閘；井底井口信號系統(tǒng)；自動裝卸載系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)。系統(tǒng)之間的相互關(guān)系如圖3所示。控制系統(tǒng)中的裝卸載系統(tǒng)、井底井口信號系統(tǒng)及液壓站系統(tǒng)和所有的絞車控制系統(tǒng)中使用的區(qū)別不大，主要是傳動系統(tǒng)和傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子串電阻方式有很大的區(qū)別。

3、變頻調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的比較
    1）變頻調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的比較
    目前國內(nèi)交流調(diào)速的主流，還是轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，變頻調(diào)速占比重較小，而且主要還是同步機的交交變頻調(diào)速，國內(nèi)的四象限交直交高壓變頻器調(diào)速技術(shù)是在2005年后發(fā)展起來的新技術(shù)，并且產(chǎn)品迅速成熟，很快成為未來提升機調(diào)速的發(fā)展趨勢，表1是轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和變頻調(diào)速的比較。

表1轉(zhuǎn)子串電阻和變頻調(diào)速的比較

    由以上的比較我們可以看出，在煤礦提升機上應(yīng)用變頻器，必然是發(fā)展的大趨勢。
    2）變頻器
    傳動系統(tǒng)采用具有國際先進技術(shù)的帶編碼器的矢量控制、四象限運行、再生制動的交直交高壓變頻器。該變頻器具有低頻下啟動力矩大，適合恒轉(zhuǎn)矩重載啟動型負(fù)載。而主井的提升機正是這種負(fù)載。電機采用變頻鼠籠電機，電機具有獨立供電的散熱風(fēng)機，使得電機的散熱不受電機轉(zhuǎn)速的影響，散熱風(fēng)機受電控系統(tǒng)控制，電機啟動的同時啟動散熱風(fēng)機。
    HIVERT-YVF系列高壓變頻器采用的是和通用高壓變頻器基本一致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為移相整流單元串聯(lián)多電平PWM電壓源電流控制型高壓變頻器。
    HIVERT-YVF采用轉(zhuǎn)子帶速度反饋的矢量控制技術(shù)。在轉(zhuǎn)子磁場定位坐標(biāo)下電機定子電流分解成勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流。維持勵磁電流不變，控制轉(zhuǎn)矩電流也就控制電機轉(zhuǎn)矩。電機轉(zhuǎn)速采用閉環(huán)控制。實際運行中給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值通過PID調(diào)節(jié)生成轉(zhuǎn)矩電流IT。經(jīng)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(qū)動信號。

    HIVERT-YVF系列變頻器采用的是有速度傳感器的矢量控制。因為采用了速度和輸出電流雙閉環(huán)控制，所以電機的調(diào)速特性非常硬，并且具備額定功率的能量回饋能力，實現(xiàn)變頻器拖動電機的急起急停，功率單元是一個輸入側(cè)由濾波環(huán)節(jié)、快熔和緩沖環(huán)節(jié)組成，這些環(huán)節(jié)為功率單元的整流、充電和有源逆變提供了保證。輸入濾波環(huán)節(jié)，濾除了IGBT開關(guān)產(chǎn)生的高次諧波，減小對電網(wǎng)的污染。緩沖環(huán)節(jié)限制了IGBT電流突變，保證IGBT不受沖擊電流的影響。快熔則是如果單元內(nèi)部出現(xiàn)故障，電流過大，快熔則會保護單元，使單元內(nèi)部電源斷掉，不至于造成更大的損害。同步整流和有源逆變部分的六個IGBT負(fù)責(zé)在拖動電機的時候做同步整流，在制動電機的時候做有源逆變。同步整流控制器實時檢測單元輸入電壓，利用鎖相控制技術(shù)得到輸入電壓相位和幅值，控制整流逆變開關(guān)管所構(gòu)成的相位與輸入電壓的相位差，便可控制電能在電網(wǎng)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(wǎng)，反之電能由電網(wǎng)注入功率單元。電功率大小與相位差成正比。電能的大小及流向由單元電壓決定，就同步整流而言，整流側(cè)相當(dāng)于一個穩(wěn)壓電源，與電功率大小及方向相對應(yīng)的電網(wǎng)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(diào)節(jié)生成。直流環(huán)節(jié)用電解電容來濾波。單元輸出用四個IGBT組成H橋，逆變輸出，串聯(lián)后驅(qū)動電機。圖7是功率單元的整流和有源逆變狀態(tài)的電壓和電流波形。
    在電機處于加速或者勻速時，變頻器拖動電機運轉(zhuǎn)，為正力輸出，所以電流和電壓為同頻同相，變頻器處于整流——逆變狀態(tài)，此時電機為電動機狀態(tài)，電能通過變頻器轉(zhuǎn)換后送給電機轉(zhuǎn)化成機械能；當(dāng)電機處于減速或者負(fù)力下放時，變頻器制動電機運行，為負(fù)力輸出，此時電機處于發(fā)電狀態(tài)，變頻器處于逆變——有源逆變狀態(tài)，變頻器的輸入電壓電流波形為同頻反向，機械能通過電機轉(zhuǎn)化成電能，電能通過變頻器的有源逆變回送到電網(wǎng)上去。

三、 系統(tǒng)運行效果
    河南神火煤電股份有限公司葛店煤礦主井提升系統(tǒng)自2008年10月份調(diào)試運行成功至今，運行穩(wěn)定。現(xiàn)場操作人員采用每周切換一次變頻器的方式，輪流使用兩臺變頻器，以保持兩臺變頻器狀態(tài)一致。
    葛店礦井深261.9m，系統(tǒng)調(diào)試運行后，運行一個循環(huán)為61s，加速段13s，等速段25s，減速段11s，爬行段12s。等速段的速度為6.88m/s，爬行段的速度為1.13m/s。運行的速度圖和力圖如 圖8所示。
    采用變頻器調(diào)速方式后，運行一個循環(huán)的時間準(zhǔn)確，不隨負(fù)載變化和操作人員的操作不同而變化。變頻器在使用過程中，維護簡單，只需要定期清理過濾網(wǎng)，保持變頻器的清潔。變頻器的運行效率高達96%，所以運行過程中發(fā)熱量非常小，電氣室內(nèi)溫升小。
 

圖8 系統(tǒng)運行速度圖和力圖

四、 總結(jié)
    隨著高壓變頻器技術(shù)的進一步成熟，產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性的進一步提高，成本的降低，變頻器在煤礦提升機中的應(yīng)用，迅速推廣和發(fā)展起來。
    針對目前國內(nèi)交流變阻調(diào)速提升機存在的速度控制性能差、能耗大，不易操作的現(xiàn)狀，研制成功礦井提升機大功率變頻器，滿足了提升機的各種運行方式，具有調(diào)速性能好、安全可靠、運行平穩(wěn)、操作簡單、低頻轉(zhuǎn)矩大、節(jié)電效果顯著、功率因數(shù)高、諧波含量低等優(yōu)點。
    尤其是采用了再生制動方式的變頻器，使提升機在減速段或重物下放操作時變頻器能自動轉(zhuǎn)入發(fā)電反饋狀態(tài)，使制動更平穩(wěn)，操作更簡單；有速度傳感器的矢量控制的應(yīng)用，使得變頻器具有低頻轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速平滑、調(diào)速范圍廣、精度高、操作簡單的特點；HIVERT-YVF系列變頻器運用了通用高壓變頻器的成熟技術(shù)，使得運行安全穩(wěn)定、故障率低、基本免維護，技術(shù)先進、保護齊全，操作方便，節(jié)能效果顯著（與原電阻調(diào)速系統(tǒng)相比，可節(jié)電10%-30％以上），功率因數(shù)高（0.95以上），諧波含量極少，符合國家對電網(wǎng)要求的國家標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)點。