高壓變頻器在礦井提升機上的應用

1 引言

　　礦井提升機是一種大型提升機械設備。由電機帶動機械設備，以帶動鋼絲繩從而拉動容器在井筒中或者斜坡上運行，完成輸送任務。現(xiàn)代的礦井提升機提升量大，速度高，安全性高，已發(fā)展成為電子計算機控制的全自動重型礦山機械。

　　提升機無論正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)其工作過程是相同的，都有起動、加速、中速運行、穩(wěn)定運行、減速、低速運行、制動停車等七個階段。每提升一次運行的時間，與系統(tǒng)的運行速度，加速度及斜井或豎井的深度有關(guān)，各段加速度的大小，根據(jù)工藝情況確定，運行的時間由操作工人根據(jù)現(xiàn)場的狀況自定。

　　目前大部分大中型煤礦的礦井提升機都是采用繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻的方法進行分段有級調(diào)速控制。其基本原理是：當繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串入附加電阻后，電動機的轉(zhuǎn)差率加大，電動機在較低的轉(zhuǎn)速下運行，串入的電阻越大，電動機的轉(zhuǎn)速越低。此方法的優(yōu)點是設備簡單，控制方便；但缺點是轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，且此方法屬于有級調(diào)速，機械特性較軟。在實際應用時電阻的投切采用繼電器—交流接觸器控制。這種控制系統(tǒng)由于調(diào)速過程中交流接觸器動作頻繁，設備運行的時間較長，交流接觸器主觸頭易熔化，引發(fā)設備故障。另外，由于是有級調(diào)速，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會造成停車位置不準確。提升機頻繁的起動p調(diào)速和制動，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻的上產(chǎn)生相當大的功耗，造成了能源的大量浪費。起動和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大；中高速運行震動大，安全性較差。所以對于安全和穩(wěn)定性要求較高的礦山型企業(yè)來說，這種調(diào)速方法將很快被淘汰。

　　高壓變頻調(diào)速技術(shù)，特別是能量回饋技術(shù)的高速發(fā)展為礦井提升機的調(diào)速和節(jié)能改造創(chuàng)造了條件。變頻調(diào)速可實現(xiàn)0～50hz全范圍恒轉(zhuǎn)矩無級調(diào)速，且下放重物時電機的再生能量可以直接反饋至電網(wǎng)。如采用矢量控制還可實現(xiàn)靜態(tài)大轉(zhuǎn)矩的軟啟動，對于豎井式的提升設備也能實現(xiàn)快速提升、下放及瞬間的加減速。

　　恒鼎實業(yè)國際發(fā)展有限公司是集煤炭開采、洗選、煉焦為一體的綜合型煤炭企業(yè)，于2007 年9月在聯(lián)合交易所主板上市，是中國第一家在境外主要資本市場ipo上市的能源型民營企業(yè)。近幾年來恒鼎實業(yè)公司積極響應國家節(jié)能降耗政策，已對旗下大部分煤礦的礦井提升機進行變頻改造。恒鼎實業(yè)貴州盤縣幾大煤礦采用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的fva型變頻器共7臺，對礦井提升機設備進行改造，實踐證明，使用變頻調(diào)速后提升機運行的穩(wěn)定性和安全性大大提高，減少了運行故障和停工檢修工時，節(jié)省了人力和物力，提高了運煤能力，直接和間接的經(jīng)濟效益也很可觀。

2 工程概況

　　盤縣樂民洪興煤礦位于六盤水市盤縣樂民鎮(zhèn)境內(nèi)，礦井井田面積1.7km2，礦區(qū)可采煤層保有資源量4430萬t，設計可采資源儲量2367萬t，礦井設計產(chǎn)量60萬t/年。此井為斜井，主要用于井下材料和物質(zhì)輸送，斜井總長約1km，坡度25o，豎直深度約420m。該井采用單卷筒單繩纏繞式絞車?，F(xiàn)場的工藝工況如圖1所示。

　　變頻器直接取用10kv高壓電經(jīng)變頻后輸出給電機，電機輸出軸經(jīng)過減速機構(gòu)減速后驅(qū)動卷筒旋轉(zhuǎn)，從而帶動纏繞在卷筒上的鋼絲繩上拉或下放小車。變頻器提供本地（通過人機界面）操作和遠程（通過操作臺）控制兩種控制方式。操作臺通過其兩個手柄的推拉分別實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制及變頻器的頻率給定和啟停操作，從而最終實現(xiàn)對絞車的松閘、制動和小車運行速度的精準調(diào)節(jié)。

　　主體設備由以下幾個部分組成：

　?。?）北京利德華福公司提供的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

　　主要參數(shù)如下：

　　型號：harsvert-fva10/030，能量回饋型矢量控制高壓變頻器；

　　額定電壓：10kv；

　　額定電流：30a。

　?。?）佳木斯電機廠生產(chǎn)的高壓電機

　　主要參數(shù)如下：

　　型號：y4507-6；

　　額定電壓：10kv；

　　額定電流：23.9a；

　　電機極數(shù)：6極；

　　額定轉(zhuǎn)速：989r/min。

　　（3）貴州高原礦山機械有限公司生產(chǎn)的卷筒、減速機構(gòu)、液壓和電控系統(tǒng)

　　主要參數(shù)如下：

　　型號：jk-2.5×2.0p；

　　卷筒直徑：2.5m；

　　最大提升速度：3m/s；

　　滾筒容繩量：2km。

　　除以上設備外還有深度指示系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)。

　　潤滑站用于對減速機構(gòu)的潤滑，深度指示系統(tǒng)通過傳動桿與卷筒的滾動軸相連，用于提供小車在井下運行時與地面的相對位置傳輸給操作臺，以便于設置加減速時間點和保護邏輯。液壓系統(tǒng)由液壓站和液壓閘閥組成。液壓泵站驅(qū)動位于滾筒前后左右共4組16個液壓閘閥，每個閘閥與剎車片相連，以用于緊急抱閘和松閘。變頻器、液壓系統(tǒng)的i/o點及其他所有輔助系統(tǒng)的狀態(tài)信號均送至操作臺上的plc，plc與操作臺上的觸摸屏使用modbus通信，以便于狀態(tài)監(jiān)控和參數(shù)設置。操作臺上的控制按鈕及手柄用于絞車運行的手、自動切換及開、停車操作。

3 高壓變頻調(diào)速技術(shù)

　　3.1四象限變頻器

　　對于變頻器來說，定義電機的運行象限為變頻器的運行象限，以電機的轉(zhuǎn)矩為橫軸，轉(zhuǎn)速為縱軸，建立平面直角坐標系，如圖2所示。

　　當電機的輸出轉(zhuǎn)矩與電機轉(zhuǎn)向相同時，如電機拖動風機、水泵、壓縮機、帶輪等穩(wěn)態(tài)或加速運行，或拖動提升機提升重物時，電機運行在電動機方式下，變頻器從電網(wǎng)獲取有功功率并輸出給電機，變頻器運行方式在能量輸出狀態(tài)下，即處于第一、三象限。而當電機輸出的轉(zhuǎn)矩與電機轉(zhuǎn)向相反時，如電機拖動風機等軸負載減速制動運行，或者電機拖動絞車下放重物時，電機運行在發(fā)電機方式下，變頻器將從電機獲取有功功率并回饋至電網(wǎng)，變頻器運行于第二、四象限，處于能量回饋狀態(tài)。

　　普通的變頻器電網(wǎng)側(cè)采用二極管不可控整流或者半可控整流，僅能工作在第一和第三象限，稱為兩象限變頻器；如果電網(wǎng)側(cè)采用全可控整流的話，則可以使變頻器工作在4個象限，則這種變頻器稱為四象限變頻器或能量回饋型變頻器。

　　在提升機上使用能量回饋型變頻器，在停車或下放重物時，變頻器可以驅(qū)動電機輸出制動力矩，從而不僅可以實現(xiàn)快速制動（50hz停車只需10s），還可將負載的動能轉(zhuǎn)化成電能直接回饋于電網(wǎng)。

　　3.2能量回饋的基本原理

　　電壓源型能量回饋變頻器的基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3中，網(wǎng)側(cè)逆變器稱為有源前端，負責控制變頻器與電網(wǎng)之間的能量交換；電抗器為電網(wǎng)與變頻器之間的能量流動提供條件，并限制網(wǎng)側(cè)逆變器電流；網(wǎng)側(cè)濾波器用于吸收網(wǎng)側(cè)逆變器發(fā)出的諧波電流，阻止其注入電網(wǎng)。

　　將上述結(jié)構(gòu)進行簡化，將網(wǎng)側(cè)逆變器等效為一可控電壓源，將電網(wǎng)與濾波器等效于一個理想電壓源，設電網(wǎng)電壓角頻率為ω，有效值為e，相位為0°；網(wǎng)側(cè)逆變器輸出有效電壓有效值為u，相位為θ，電感大小為l則：

　　此可知，通過調(diào)整網(wǎng)側(cè)逆變器的輸出電壓u的幅值和相位來調(diào)節(jié)變頻器與電網(wǎng)之間的有功和無功交換：當u滯后e時，θ》0°，p》0，變頻器從電網(wǎng)吸收有功功率；當u超前e時，θ《0°，p《0，變頻器向電網(wǎng)回饋有功功率，即處于能力回饋狀態(tài)；當ucosθe時，變頻器向電網(wǎng)發(fā)出感性無功功率；當ucosθ=e時，變頻器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1。

　　綜上所述，只需精確控制變頻器網(wǎng)側(cè)逆變器的輸出電壓，即可控制其有功功率和無功功率的大小和流向，實現(xiàn)能量回饋。實際控制上往往通過控制電感上的電流來控制變頻器與電網(wǎng)間的功率交換。

　　3.3能量回饋的實現(xiàn)

　　目前國內(nèi)大部分變頻器均采用單元串聯(lián)多電平的方式，帶能量回饋的拓撲結(jié)構(gòu)與非能量回饋的拓撲類似，其區(qū)別在于每個功率單元內(nèi)，將原有的二極管不可控整流橋改為igbt逆變橋，如圖4、圖5所示。此外，為了濾除網(wǎng)側(cè)逆變器產(chǎn)生的開關(guān)頻率高次諧波電流，阻止其注入電網(wǎng)，在輸入側(cè)增加了一組網(wǎng)側(cè)濾波器。

　　為了控制各個功率單元的直流母線電壓，在每個功率單元內(nèi)設置單獨的控制器，執(zhí)行網(wǎng)側(cè)逆變器的矢量控制算法，當變頻器由能量輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)入能量回饋狀態(tài)時，有功功率從電機流入變頻器，造成每個功率單元的直流母線電壓上升。各個功率單元內(nèi)的控制器檢測到這一上升電壓后，將從電網(wǎng)流向功率單元的有功電流給定值減小至一負數(shù)，這個時候主控制器會預先通過程序鎖定電網(wǎng)電壓的幅值、相位和頻率，然后使功率單元的網(wǎng)側(cè)逆變器輸出pwm波，各個功率單元產(chǎn)生的pwm波通過疊加后形成與電網(wǎng)相適應的正弦波電壓和相位，再向電網(wǎng)回饋有功功率。

4 節(jié)能效果明顯

　　在工頻運行時，電機需要5～7倍的啟動電流，而在變頻器運行時，電機可在零速、零電壓啟動（當然可以適當提高轉(zhuǎn)矩提升），采用矢量控制，啟動時動態(tài)轉(zhuǎn)矩最大為150%的額定轉(zhuǎn)矩，可帶全負載起動。

　　變頻器在制動中，由于負載下降時，電機轉(zhuǎn)速隨頻率而下降，這是由制動產(chǎn)生的功率能量（勢能）通過網(wǎng)側(cè)逆變器回饋到電網(wǎng)中。還有電機在剎車停車時，電機的慣性作用所發(fā)生的能量（勢能）也能變成再生能源，回饋到電網(wǎng)中重新利用。所以，使用變頻器節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)束語

　　矢量控制技術(shù)實現(xiàn)了大轉(zhuǎn)矩、小電流啟動和轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的精準調(diào)節(jié)，而能量回饋技術(shù)則使變頻器的節(jié)能功效進一步優(yōu)化。因為傳統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能只是在滿足現(xiàn)場工藝的條件下，將閥門或擋板節(jié)流所產(chǎn)生的能量損失減少，而能量回饋則還將電機在二、四象限運行時處于發(fā)電機狀態(tài)下的再生能量直接回饋至電網(wǎng)。不僅不會產(chǎn)生像轉(zhuǎn)子串電阻或能耗制動方式那樣將不可用或再生的電能以電阻發(fā)熱的形式消耗掉的情況，而且還將這部分能量得以利用，從而使變頻器的節(jié)能效果更加明顯。

　　煤礦生產(chǎn)也是一個高耗能行業(yè)，現(xiàn)代的大型電動機械代替了傳統(tǒng)的人工開掘方式。皮帶機、提升機、瓦斯抽排風機、主扇風機的容量逐漸變大，高壓大功率電機的應用進一步推廣。而在現(xiàn)有的工藝條件下實現(xiàn)大幅度的節(jié)能降耗將成為企業(yè)長期生存下去的必要條件。

　　高壓變頻技術(shù)的迅速發(fā)展為煤礦行業(yè)的節(jié)能降耗提供了一個非常有利的契機。利德華福公司依托清華大學的學術(shù)優(yōu)勢，擁有10多年的技術(shù)和經(jīng)驗沉淀，矢量控制能量回饋型變頻器的大力推廣將為煤炭等礦山型企業(yè)的節(jié)能降耗提供強有力的技術(shù)支持和保障。