一、改造前設備工況
礦井提升機，也稱絞車，是指安裝在地面、借助于鋼絲繩帶動提升容器沿井筒運行的一種大型提升機械設備，是井上和井下的唯一輸送通道。它是由電動機帶動機械設備，以帶動鋼絲繩從而帶動容器在井筒中升降，完成輸送任務。現代的礦井提升機提升量大，速度高，安全性高，已發展成為電子自動控制的全自動重型礦山機械[1]。
礦井提升機主要由電動機、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動系統、深度指示系統、測速限速系統和操縱系統等組成（如圖1），采用交流電機驅動。
圖1 舊提升機系統
目前大部分大中型煤礦的礦井提升機都采用繞線式電機轉子串電阻的方法進行分段有級調速（如圖2所示）。其基本原理是：當繞線式異步電動機轉子串入附加電阻后，電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行，串入的電阻越大，電動機的轉速越低。此方法的優點是設備簡單，控制方便；但其缺點也非常明顯，主要有以下幾點：
1、調速時轉子回路電流很大，大量的轉差電能消耗在回路電阻上，造成大量能源浪費；
2、調速性能差，控制系統復雜，故障率高；
3、啟動過程中對電網的沖擊大，同時也會產生較大的機械沖擊，造成設備使用壽命降低；
4、安全可靠性差，且維護工作量大、維護成本高。
圖2 改造前的調速電阻
圖3 提升機現場圖
此豎井提升機變頻改造項目中，之前采用轉子串電阻的調速方式，在使用過程中存在諸多安全隱患和較差的系統運行性能，為提高系統的安全性和可靠性，在我司的建議下，客戶最終決定采購一整套變頻電控系統，將之前的轉子串電阻調速系統徹底替換掉，采用匯川高壓變頻器進行調速，避免了嚴重的機械磨損，防止較大的機械沖擊，減少機械部分維修的工作量，延長提升機械的使用壽命。采用變頻控制的提升機，基本上可以獲得與直流電機相同的調速和制動性能。
系統相關參數：
根據電機額定功率，綜合考慮電動機功率因數偏低、使用現場2200m海拔等多方面因素，匯川選用型號為HD92-F060/500-RN的四象限高壓變頻器，經實踐驗證，完全滿足現場使用要求，不僅實現平滑的加速、減速和平穩的勻速運行還達到了很好的節能效果。
二、提升機工藝要求
提升機的過程是提升容器在井筒中周期往返運動，通常以提升容器的運動速度與時間的關系來表示其運動規律，稱為速度圖，我們常用的提升系統的速度圖，包括五個階段，一般稱為五階段速度圖。即：加速階段、勻速階段、減速階段、爬行階段、制動階段。提升機電氣傳動系統速度曲線如下圖所示：
圖4 提升機運行速度曲線圖
要使提升機按給定的速度曲線運行，電氣傳動系統應能根據負載的變化而自動的工作在電動或制動狀態。綜合以上提升機的運行特點以及礦山生產固有的特點，提升機工藝對提升機電控系統的要求如下；
1）加（減）速度應符合國家有關安全生產規程的規定。提升人員時，加速度a≤0.75m/s 2 ，升降物料時，加速度a≤1.2m/ s 2。另外不得超過提升機的減速器所允許的動力矩。
2）具有良好的調速性能。要求速度平穩，調速方便，調速范圍大，能滿足各種運行方式及提升階段（如加速、減速、等速、爬行等）穩定運行的要求。
3）有較好的起動性能。提升機不同于其他機械，不可能等到系統運轉后再裝加負載，因此，提升機必須能夠重載啟動，有較高的過載能力。
4）特性曲線要硬。要保證負載變化時，提升速度基本上不受影響，防止負載大小不同時速降過大，影響系統正常工作(當然，當負載超過一定的限度時，還要求系統能有效的自我保護。迅速安全制動停車，即所謂要具備挖土機機械特性)。
5）工作方式轉換容易。要能夠方便的進行自動、半自動、手動、驗繩、調繩等工作方式的轉換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉換影響正常生產。
三、變頻改造方案
改造內容：原有轉子串電阻電控系統及換向切換全部拆除，重新采購一整套新的絞車電控系統，其中操作臺采用兩臺西門子可編程控制器，其中一臺為主控機負責提升機的主程序，第二臺為監控機負責信號打點、語音報警和后備保護，兩臺PLC有主有從，互有分工，相互監視實現了安全回路的雙線制。使用變頻器驅動電機，變頻器型號為HD92-F060/500-RN，采用遠程控制方式，由操作臺的PLC將控制指令傳送到變頻器，控制框圖如下：
圖5 提升機控制框圖
操作臺PLC與變頻器之間采用硬線連接方式，通過4~20mA模擬量信號調速，驅動電機在0~50Hz范圍內運行。具體接口信息如下圖所示：
圖6 端口通信圖
變頻器采用兩線式控制模式，通過DI9、DI10兩個端口分別控制變頻器正、反轉，頻率給定采用4~20mA模擬量信號，對應變頻器輸出頻率0~50Hz，變頻器開關量輸入：10路，繼電器干接點，包括起動、停止、手動/自動轉換、復位等信號，開關量輸出：16路，繼電器干接點，包括變頻器高壓就緒、變頻器運行、變頻器故障、變頻器停止、變頻器保護動作等信號；
變頻器控制采用開環矢量控制技術，無需安裝編碼器作速度閉環控制，可根據電機運行電壓及電流自行解耦出電機實時運行狀態。
四、匯川高壓變頻系統原理
國內市場上絕大多數高壓變頻器均采用功率單元串聯多電平結構，其中，功率單元采用兩電平拓撲結構，6kV高壓變頻器每相由5或6個功率單元組成，整機由15或18個功率單元組成，具有功率單元數量眾多，體積大的缺點。根據此種情況，匯川公司創新性的提出了三電平功率單元串聯多電平結構，使得每個功率單元具有更高的輸出電壓，6kV高壓變頻器整機只需要9個功率單元，從根本上減少了功率單元數量，減小了變頻器整機體積。6kV高壓變頻器整機拓撲圖如下：
圖7 6kV四象限高壓變頻器拓撲圖
功率單元采用三電平拓撲結構，中心點采用二極管鉗位，整個功率單元由AFE整流、直流濾波、逆變三大部分組成，功率單元拓撲結構如下：
圖8 功率單元拓撲圖
采用AFE整流前端，與傳統的二極管或可控硅整流技術相比，主動前端不再是被動的將交流轉變成直流，而是具備了很多主動的控制功能。
A、具備電網功率因數調節功能，整機空閑時可以通過AFE方式調整電網功率因數；
B、對電網無污染，輸入功率因數高，無需功率因數補償器；
C、電壓適應范圍-20%~15%；
D、能量回饋效率高。
單元輸入端采用PFC能量回饋電抗器：
A、減少回饋時整流前端電壓尖峰dv/dt對電網的污染；
B、利用電抗器中儲存的部分能量，可用于提升母線電壓，使母線電壓可控、穩定；
C、抑制單元輸入側諧波電流，改善功率因數。
當變頻器輸出轉速和輸出轉矩方向一致時，電機處于電動機狀態，此時功率單元AFE側從電網獲取有功功率，提供給電機轉化為機械能；當變頻器輸出轉速與輸出轉矩方向不一致時，電機處于發電機狀態，此時，產生的電能會將功率單元的母線電壓抬高，AFE側將多余的能量回饋到電網，形成自動回饋。
五、變頻改造優勢
1、無啟動沖擊電流：采用世界領先的矢量控制方式，在低頻率運行時不需進行轉矩提升也可以輸出大轉矩，在啟動過程中無沖擊電流，啟動電流小于電機的額定電流，非常適合頻繁啟動的提升系統，單相啟動電流的波形圖如下圖所示；
圖9 啟動波形
2、編碼器閉環矢量控制：針對提升機精確速度控制和較大啟動轉矩要求，匯川高壓變頻器帶速度傳感器矢量控制的速度控制精度能達到0.05％，啟動轉矩可達到200％/0hz。完全滿足了提升機的高精度控制，快速轉矩響應，良好的低頻特性，保證了提升機低速運行平穩，抱閘磨損小，沖擊小。
3、無編碼器開環矢量控制：提升機現場使用的電機多為繞線式電機，在電機軸上加裝編碼器非常麻煩，如果安裝位置稍有不對，編碼器會經常損壞，影響整個系統的運行。匯川高壓變頻器針對此種情況，特別提出了無編碼器開環矢量控制方式，無需安裝編碼器，控制效果幾乎與安裝編碼器的效果一致，得到了客戶的好評。匯川高壓變頻器的磁鏈閉環矢量控制技術是基于電機d - q軸系數學方程，對電機的磁鏈、電流進行解耦控制，具有磁鏈、電壓閉環特點。控制精度高，轉矩響應快，低頻特性好，提升機低速運行平穩，抱閘磨損小，沖擊小，完全滿足了不同現場的需要。
圖10 繞線式電機轉子側短接及安裝編碼器困難圖
圖11 磁鏈閉環矢量控制原理圖
3、低頻大扭矩：匯川技術HD92四象限高壓變頻器采用世界領先的矢量控制技術，具有優越的低頻特性，閉環矢量200%額定轉矩/0Hz；開環矢量180%額定轉矩/0.5Hz。
優秀的低頻特性，確保了提升機在低速運行時，依然能夠有足夠的轉矩進行提升，不會出現溜鉤、怠速報閘等現象；
4、長壽命設計：匯川技術HD92四象限高壓變頻器全部采用薄膜電容設計，使用壽命為普通電解電容的10倍以上，確保了變頻器的使用壽命；
5、無諧波：匯川技術HD92四象限高壓變頻器采用AFE可控整流方式，可自動調節功率因數，使得功率因數接近于1，并且在每個功率單元輸入側均配有PFC專用能量回饋電抗器，對回饋到電網的電流進行濾波，確保對網側沒有任何諧波污染；
圖12 HD92四象限高壓變頻器高壓進線端電流波形圖
6、節能： 對于恒轉矩類負載，功率與轉速近似成一次線性關系，即P=K*T*N，從下圖中我們可以看出，傳統利用轉子串電阻調速的方式，在電阻上消耗了大量能量，如采用變頻調速裝置改造后，可節省在電阻上消耗的全部能量。原有的轉子串電阻調速方式，在啟動和停止過程中，有大量的轉差功率消耗在電阻上，造成電能的極大浪費，采用變頻器調速后，可將這部分能量全部省掉。通過現場抄表比較，相比之前的串電阻調速方式，變頻改造后可節約電能大約15%
圖13變頻改造前后節能對比
六、現場應用圖片
圖14 變頻器放置圖
圖15 控制臺圖
圖16 系統正常運行
圖17 井口圖
七、總結
通過現場長時間的測試情況來看，匯川HD92-F060/500-RN的四象限高壓變頻器完全能夠滿足現場的提升機工藝需求，變頻改造不僅能夠實現顯著地節能效果，且能夠改善運行工藝，達到多重改造效果，經濟效益及社會效益顯著。
匯川技術有限公司依托多年的自動化行業的應用經驗，對裝備制造業的變頻測試系統具有獨到的方案解決能力，HD9X系列高壓變頻器為采用矢量控制技術的高性能變頻器，產品廣泛應用于冶金、電力、化工、市政、裝備制造業等多個應用領域。
