高壓變頻器在礦井提升機(jī)上的應(yīng)用

1 引言

　　礦井提升機(jī)是一種大型提升機(jī)械設(shè)備。由電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備，以帶動(dòng)鋼絲繩從而拉動(dòng)容器在井筒中或者斜坡上運(yùn)行，完成輸送任務(wù)。現(xiàn)代的礦井提升機(jī)提升量大，速度高，安全性高，已發(fā)展成為電子計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)重型礦山機(jī)械。

　　提升機(jī)無(wú)論正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)其工作過(guò)程是相同的，都有起動(dòng)、加速、中速運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行、減速、低速運(yùn)行、制動(dòng)停車(chē)等七個(gè)階段。每提升一次運(yùn)行的時(shí)間，與系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)行的時(shí)間由操作工人根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的狀況自定。

　　目前大部分大中型煤礦的礦井提升機(jī)都是采用繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行分段有級(jí)調(diào)速控制。其基本原理是：當(dāng)繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，串入的電阻越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，控制方便；但缺點(diǎn)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(jí)調(diào)速，機(jī)械特性較軟。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)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(guò)程中交流接觸器動(dòng)作頻繁，設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，交流接觸器主觸頭易熔化，引發(fā)設(shè)備故障。另外，由于是有級(jí)調(diào)速，提升機(jī)在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會(huì)造成停車(chē)位置不準(zhǔn)確。提升機(jī)頻繁的起動(dòng)p調(diào)速和制動(dòng)，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻的上產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗，造成了能源的大量浪費(fèi)。起動(dòng)和調(diào)速換擋過(guò)程中電流沖擊大；中高速運(yùn)行震動(dòng)大，安全性較差。所以對(duì)于安全和穩(wěn)定性要求較高的礦山型企業(yè)來(lái)說(shuō)，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(jī)的調(diào)速和節(jié)能改造創(chuàng)造了條件。變頻調(diào)速可實(shí)現(xiàn)0～50hz全范圍恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級(jí)調(diào)速，且下放重物時(shí)電機(jī)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(shí)現(xiàn)靜態(tài)大轉(zhuǎn)矩的軟啟動(dòng)，對(duì)于豎井式的提升設(shè)備也能實(shí)現(xiàn)快速提升、下放及瞬間的加減速。

　　恒鼎實(shí)業(yè)國(guó)際發(fā)展有限公司是集煤炭開(kāi)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(guó)第一家在境外主要資本市場(chǎng)ipo上市的能源型民營(yíng)企業(yè)。近幾年來(lái)恒鼎實(shí)業(yè)公司積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗政策，已對(duì)旗下大部分煤礦的礦井提升機(jī)進(jìn)行變頻改造。恒鼎實(shí)業(yè)貴州盤(pán)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(tái)，對(duì)礦井提升機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造，實(shí)踐證明，使用變頻調(diào)速后提升機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性大大提高，減少了運(yùn)行故障和停工檢修工時(shí)，節(jié)省了人力和物力，提高了運(yùn)煤能力，直接和間接的經(jīng)濟(jì)效益也很可觀。

2 工程概況

　　盤(pán)縣樂(lè)民洪興煤礦位于六盤(pán)水市盤(pán)縣樂(lè)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(wàn)t，設(shè)計(jì)可采資源儲(chǔ)量2367萬(wàn)t，礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)量60萬(wàn)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(zhǎng)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(chē)?，F(xiàn)場(chǎng)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(jī)，電機(jī)輸出軸經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)減速后驅(qū)動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)纏繞在卷筒上的鋼絲繩上拉或下放小車(chē)。變頻器提供本地（通過(guò)人機(jī)界面）操作和遠(yuǎn)程（通過(guò)操作臺(tái)）控制兩種控制方式。操作臺(tái)通過(guò)其兩個(gè)手柄的推拉分別實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)絞車(chē)的松閘、制動(dòng)和小車(chē)運(yùn)行速度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

　　主體設(shè)備由以下幾個(gè)部分組成：

　　（1）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(hào)：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(jī)廠生產(chǎn)的高壓電機(jī)

　　主要參數(shù)如下：

　　型號(hào)：y4507-6；

　　額定電壓：10kv；

　　額定電流：23.9a；

　　電機(jī)極數(shù)：6極；

　　額定轉(zhuǎn)速：989r/min。

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

　　主要參數(shù)如下：

　　型號(hào)：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(shè)備外還有深度指示系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)。

　　潤(rùn)滑站用于對(duì)減速機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑，深度指示系統(tǒng)通過(guò)傳動(dòng)桿與卷筒的滾動(dòng)軸相連，用于提供小車(chē)在井下運(yùn)行時(shí)與地面的相對(duì)位置傳輸給操作臺(tái)，以便于設(shè)置加減速時(shí)間點(diǎn)和保護(hù)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(dòng)位于滾筒前后左右共4組16個(gè)液壓閘閥，每個(gè)閘閥與剎車(chē)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(diǎn)及其他所有輔助系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)均送至操作臺(tái)上的plc，plc與操作臺(tái)上的觸摸屏使用modbus通信，以便于狀態(tài)監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置。操作臺(tái)上的控制按鈕及手柄用于絞車(chē)運(yùn)行的手、自動(dòng)切換及開(kāi)、停車(chē)操作。

3 高壓變頻調(diào)速技術(shù)

　　3.1四象限變頻器

　　對(duì)于變頻器來(lái)說(shuō)，定義電機(jī)的運(yùn)行象限為變頻器的運(yùn)行象限，以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為橫軸，轉(zhuǎn)速為縱軸，建立平面直角坐標(biāo)系，如圖2所示。

　　當(dāng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)向相同時(shí)，如電機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、帶輪等穩(wěn)態(tài)或加速運(yùn)行，或拖動(dòng)提升機(jī)提升重物時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)方式下，變頻器從電網(wǎng)獲取有功功率并輸出給電機(jī)，變頻器運(yùn)行方式在能量輸出狀態(tài)下，即處于第一、三象限。而當(dāng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)向相反時(shí)，如電機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)等軸負(fù)載減速制動(dòng)運(yùn)行，或者電機(jī)拖動(dòng)絞車(chē)下放重物時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)方式下，變頻器將從電機(jī)獲取有功功率并回饋至電網(wǎng)，變頻器運(yùn)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(chēng)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(gè)象限，則這種變頻器稱(chēng)為四象限變頻器或能量回饋型變頻器。

　　在提升機(jī)上使用能量回饋型變頻器，在停車(chē)或下放重物時(shí)，變頻器可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出制動(dòng)力矩，從而不僅可以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)（50hz停車(chē)只需10s），還可將負(fù)載的動(dòng)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?zhàn)冾l器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3中，網(wǎng)側(cè)逆變器稱(chēng)為有源前端，負(fù)責(zé)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(dòng)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(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)理想電壓源，設(shè)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(guò)調(diào)整網(wǎng)側(cè)逆變器的輸出電壓u的幅值和相位來(lái)調(diào)節(jié)變頻器與電網(wǎng)之間的有功和無(wú)功交換：當(dāng)u滯后e時(shí)，θ》0°，p》0，變頻器從電網(wǎng)吸收有功功率；當(dāng)u超前e時(shí)，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(dāng)ucosθe時(shí)，變頻器向電網(wǎng)發(fā)出感性無(wú)功功率；當(dāng)ucosθ=e時(shí)，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(wú)功功率的大小和流向，實(shí)現(xiàn)能量回饋。實(shí)際控制上往往通過(guò)控制電感上的電流來(lái)控制變頻器與電網(wǎng)間的功率交換。

　　3.3能量回饋的實(shí)現(xiàn)

　　目前國(guó)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)與非能量回饋的拓?fù)漕?lèi)似，其區(qū)別在于每個(gè)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(kāi)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(gè)功率單元的直流母線電壓，在每個(gè)功率單元內(nèi)設(shè)置單獨(dú)的控制器，執(zhí)行網(wǎng)側(cè)逆變器的矢量控制算法，當(dāng)變頻器由能量輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)入能量回饋狀態(tài)時(shí)，有功功率從電機(jī)流入變頻器，造成每個(gè)功率單元的直流母線電壓上升。各個(gè)功率單元內(nèi)的控制器檢測(cè)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(fù)數(shù)，這個(gè)時(shí)候主控制器會(huì)預(yù)先通過(guò)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(gè)功率單元產(chǎn)生的pwm波通過(guò)疊加后形成與電網(wǎng)相適應(yīng)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(yùn)行時(shí)，電機(jī)需要5～7倍的啟動(dòng)電流，而在變頻器運(yùn)行時(shí)，電機(jī)可在零速、零電壓?jiǎn)?dòng)（當(dāng)然可以適當(dāng)提高轉(zhuǎn)矩提升），采用矢量控制，啟動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩最大為150%的額定轉(zhuǎn)矩，可帶全負(fù)載起動(dòng)。

　　變頻器在制動(dòng)中，由于負(fù)載下降時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨頻率而下降，這是由制動(dòng)產(chǎn)生的功率能量（勢(shì)能）通過(guò)網(wǎng)側(cè)逆變器回饋到電網(wǎng)中。還有電機(jī)在剎車(chē)停車(chē)時(shí)，電機(jī)的慣性作用所發(fā)生的能量（勢(shì)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(yǔ)

　　矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大轉(zhuǎn)矩、小電流啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，而能量回饋技術(shù)則使變頻器的節(jié)能功效進(jìn)一步優(yōu)化。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能只是在滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝的條件下，將閥門(mén)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(jī)在二、四象限運(yùn)行時(shí)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)下的再生能量直接回饋至電網(wǎng)。不僅不會(huì)產(chǎn)生像轉(zhuǎn)子串電阻或能耗制動(dòng)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(gè)高耗能行業(yè)，現(xiàn)代的大型電動(dòng)機(jī)械代替了傳統(tǒng)的人工開(kāi)掘方式。皮帶機(jī)、提升機(jī)、瓦斯抽排風(fēng)機(jī)、主扇風(fēng)機(jī)的容量逐漸變大，高壓大功率電機(jī)的應(yīng)用進(jìn)一步推廣。而在現(xiàn)有的工藝條件下實(shí)現(xiàn)大幅度的節(jié)能降耗將成為企業(yè)長(zhǎng)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(gè)非常有利的契機(jī)。利德華福公司依托清華大學(xué)的學(xué)術(shù)優(yōu)勢(shì)，擁有10多年的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)有力的技術(shù)支持和保障。