四象限高壓變頻器在鐵礦提升機上的應用

1 概述

山東金嶺鐵礦始建于1948 年，是山東省開采歷史最悠久的黑色多金屬礦山，金嶺鐵礦資源豐富，目前保有地質儲量6 000余萬t;正在準備開發(fā)建設的王旺莊礦區(qū)儲量5 300萬t。以盛產優(yōu)質高爐富鐵礦和伴生銅、鈷、金、銀等享譽中外。經過幾十年的建設和發(fā)展，已成為采選、燒結、煉鐵、生活服務、文教衛(wèi)生自成體系的綜合性大型國有企業(yè)。該礦副井(直井)提升絞車采用線繞式異步電動機，用轉子串電阻的方法調速。這種系統(tǒng)屬于有級調速，低速轉矩小，轉差功率大，啟動電流和換擋電流沖擊大，加之該提升系統(tǒng)還擔負著人員、材料等提升任務，提升重量每鉤都有可能改變，造成了提升系統(tǒng)在調速控制階段速度控制較為困難，而且此井還有一個特點就是偏口特別多，井深只有400 m，井口1個，偏口分布為160 m處1個，220 m處1個，247 m處1個，280 m

處1個，340 m處1個?？梢钥闯鰞蓚€偏口間的距離是很近的，很多情況下是還沒有加到全速就得停車，大量電能消耗在電阻上，而且停車位置不能很準確地定位。為改善提升系統(tǒng)運行的安全性、實現節(jié)能降耗和提高控制精度的目的，該企業(yè)決定采用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產的JD-BP37-315T四象限高壓變頻器對絞車的拖動系統(tǒng)進行技術改造。

原礦山提升機絞車電機有關參數：

型號JR157-10;

功率260 kW;

電流33.5 A/403 A;

電壓6 000 V/415 V。

2 對高壓變頻器主要的技術要求

礦山提升機是鐵礦等礦山企業(yè)生產的關鍵設備，一旦提升機不能正常工作，將使全礦停產，而造成巨大的經濟損失，因此要求高壓變頻器具有極高的可靠性。由于提升機類負載對變頻器有著不少特殊的要求，所以一般普通高壓變頻器不可能直接用到提升機上?？偟膩碚f，提升機對變頻器的主要要求如下：

1)要求可靠性高;

2)要求能實現四象限運行，解決能量回饋;

3)要求有完善的數字控制功能;

4)技術指標要求高(例如啟動轉矩2倍以上，150%額定電流以下連續(xù)運行，180%額定電流運行1 min保護);

5)要求適應惡劣的使用環(huán)境;

6)運行速度曲線成S形，加減速平滑;

7)啟動力矩、低頻力矩、加速力矩、制動力矩有嚴格要求。

我公司依靠在低壓提升機變頻器和高壓變頻器開發(fā)中積累的經驗，不斷地進行技術革新，成功地開發(fā)了單元串聯(lián)式高壓提升機專用變頻器，填補了國內高壓變頻器在提升機應用上的空白，產品已申請國家專利，產品國家專利號為ZL200320121533.2。

3 JD-BP37型高壓提升變頻調速器

根據與用戶的協(xié)議，我公司為該提升機絞車配備了JD-BP37-315T高壓提升變頻調速器。

3.1 JD-BP37型高壓提升變頻調速器簡介

該變頻調速器選用最新型IGBT為主控器件，采用全數字化，彩色液晶觸摸屏控制，是以高可靠性、易操作、高性能為設計目標的優(yōu)質變頻調速器;采用先進的矢量控制變頻調速技術實現提升機的四象限運行，完成對鼠籠式電機或繞線式電機的控制，既可用于新建礦井，也可用于老礦井改造。

JD-BP37型高壓提升變頻調速系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成，所用的6 kV 高壓提升變頻器，變壓器有18 組二次繞組，分為6 個功率單元/相，三相共18 個單元，采用36 脈沖整流，輸入端的諧波成分遠低于國標規(guī)定，高壓提升變頻器系統(tǒng)結構如圖1所示。

用全數字化，彩色液晶觸摸屏控制，是以高可靠性、易操作、高性能為設計目標的優(yōu)質變頻調速器;采用先進的矢量控制變頻調速技術實現提升機的四象限運行，完成對鼠籠式電機或繞線式電機的控制，既可用于新建礦井，也可用于老礦井改造。

JD-BP37型高壓提升變頻調速系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成，所用的6 kV 高壓提升變頻器，變壓器有18 組二次繞組，分為6 個功率單元/相，三相共18 個單元，采用36 脈沖整流，輸入端的諧波成分遠低于國標規(guī)定，高壓提升變頻器系統(tǒng)結構如圖1所示。

3.2 功率單元電路

每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其主電路如圖2示，拓撲結構為交—直—交雙向逆變電路。通過三相二極管整流橋整流，經濾波后建立起母線電壓。當能量由電網流向負載時，逆變塊A被封閉，逆變塊B 實現正弦PWM單相逆變。當電機進入發(fā)電狀態(tài)后，逆變塊B中IGBT的體二極管又起全波整流作用，將再生能量轉移到濾波電容中，使母線電

壓升高，當達到一定值后，啟動逆變塊A，進行SPWM逆變，通過輸入電感，返回到移相變壓器的二次側，將再生能量回饋到電網。由于提升機變頻器的應用狀況比較惡劣，頻繁啟停而且能量回饋，使儲能電容承受很大的沖擊電流，此電容原為極性介質電容，抗沖擊電流的能力差，影響了使用壽命，因此更換為無極性電力電容，這種電容的優(yōu)點就是抗沖擊電流大，溫升低，壽命長，只是成本高，但為了提高設備的可靠性，增加成本還是值得的。

3.3 輸入側結構

輸入側由移相變壓器給每個功率單元供電，每個功率單元承受電機電流、1/6 的相電壓、1/18 的輸出功率。18個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實現多重化，降低輸入電流的諧波成分。

3.4 輸出側結構

輸出側每相由6個功率單元的U、V輸出端子串聯(lián)后再接成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM 波形進行重組，可得到如圖3所示的階梯PWM 波形。這種波形正弦度好，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造;同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承的機械內應力和電疲勞現象。

3.5 控制器

控制器核心由高速DSP和工控PC機協(xié)同運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。工控機提供友好的全中文Windows監(jiān)控和操作界面，同時可以實現遠程監(jiān)控和網絡化控制?？刂破饔糜诠耋w內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調，增強了系統(tǒng)的靈活性。