HARSVERT-FVA系列高壓變頻器在煤礦提升機(jī)的應(yīng)用

1 引言

　　“豫北明珠”、“河南省文明煤礦”——安陽(yáng)鑫龍（集團(tuán)）主焦煤業(yè)公司位于安陽(yáng)縣倫掌鄉(xiāng)境內(nèi)，西鄰大白公路，北接河北磁縣，南望安李鐵路，交通十分便捷。

　　公司現(xiàn)有員工1000多人，生產(chǎn)能力將達(dá)到年產(chǎn)90萬(wàn)噸，產(chǎn)值增至9億元，實(shí)現(xiàn)利稅近3億元，近幾年來(lái)，先后獲得“河南省安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化先進(jìn)單位”、全省煤礦“管理創(chuàng)新最佳企業(yè)”、“河南省五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆?、“安?yáng)市五好黨組織”、“安陽(yáng)市效益最佳企業(yè)”、“河南省文明煤礦”等諸多榮譽(yù)稱號(hào)。公司主要產(chǎn)品為焦煤，屬國(guó)家稀有煤種，低磷、特低硫、高發(fā)熱量，用途廣泛?，F(xiàn)有地質(zhì)儲(chǔ)量5526萬(wàn)噸，可采儲(chǔ)量2726萬(wàn)噸。

　　安陽(yáng)鑫龍（集團(tuán)）主焦煤業(yè)公司礦用提升機(jī)使用繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行調(diào)速控制。該方法成本較低，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，電機(jī)電流大，能耗高，且轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制電路復(fù)雜，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)電刷等容易損壞，影響企業(yè)安全生產(chǎn)水平。隨著電力電子與電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，采用變頻調(diào)速的方法可以從根本上解決上述問(wèn)題。安陽(yáng)鑫龍（集團(tuán)）主焦煤業(yè)公司領(lǐng)導(dǎo)通過(guò)考察國(guó)內(nèi)用戶現(xiàn)場(chǎng)使用提升機(jī)變頻器的情形后，決定選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的harsvert-fva06/075型（560kw/6kv）高壓提升機(jī)變頻器，對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)改造。

2 原繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式的運(yùn)行特性分析

礦井提升機(jī)通常采用繞線式電動(dòng)機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)，用于提升或下降重物，具有典型的位能負(fù)載特性，是礦業(yè)的通用設(shè)備。在電機(jī)啟動(dòng)之初，所有短接開關(guān)處于分?jǐn)辔恢?，所有電阻串?lián)入電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路。當(dāng)電機(jī)加速至一定轉(zhuǎn)速時(shí)，閉合最靠中性點(diǎn)側(cè)的短接開關(guān)（圖1中最下端開關(guān)），電機(jī)轉(zhuǎn)子所串電阻減少，隨著電機(jī)進(jìn)一步加速，絞車司機(jī)依次閉合另外幾組短接開關(guān)，直至所有電阻被短接，電機(jī)運(yùn)行至最高速。

　　電機(jī)減速時(shí)，先斷開靠近電機(jī)繞組的短接開關(guān)，而后隨著轉(zhuǎn)速的降低依次斷開另外幾組開關(guān)，直至所有電阻被串入轉(zhuǎn)子回路，進(jìn)入爬行階段，絞車到位后啟動(dòng)抱閘，同時(shí)斷開定子側(cè)高壓斷路器。

　　此運(yùn)行方式有如下弊端：

　　（1）由于啟動(dòng)及調(diào)速等方面的需要，通常都是在線繞式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串接電阻，來(lái)改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而降低電機(jī)啟動(dòng)電流，以實(shí)現(xiàn)小范圍的轉(zhuǎn)差變速，去適應(yīng)負(fù)載的突變持性。并實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的分級(jí)調(diào)整。這種控制方式帶來(lái)如下弊端：轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費(fèi)。

　?。?）電阻分級(jí)切換，實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，引起電氣及機(jī)械沖擊。低速轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)差功率大，啟動(dòng)電流和換檔電流沖擊大，中高速運(yùn)行振動(dòng)大，制動(dòng)不安全不可靠，對(duì)再生能量處理不力，在提升機(jī)運(yùn)行中調(diào)速不連續(xù)，容易掉道，故障率高。礦用提升機(jī)生產(chǎn)是24h連續(xù)作業(yè)，即使短時(shí)間的停機(jī)維修也會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)很大損失。

　?。?）再生發(fā)電時(shí)，機(jī)械能回饋電網(wǎng)，造成電網(wǎng)功率因數(shù)低。尤其在供電饋線較長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合，會(huì)加大變壓器、供電線路等方面的投資。

　?。?）接觸器頻繁投切，電弧燒傷觸點(diǎn)，影響接觸器的使用壽命，設(shè)備維修成本較高。

　?。?）繞線電動(dòng)機(jī)滑環(huán)存在的接觸不良問(wèn)題，容易引起設(shè)備的事故。

3 變頻調(diào)速方式的運(yùn)行特性分析

　　變頻調(diào)速的運(yùn)行方式是指將電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組短接，通過(guò)變頻器內(nèi)的電力電子器件將工頻電網(wǎng)50hz的電壓轉(zhuǎn)換成其他頻率的電壓，加在電機(jī)的定子繞組上。通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的幅值、頻率和相位控制電機(jī)運(yùn)行在期望的轉(zhuǎn)速上。其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的方式相比，變頻調(diào)速具有電機(jī)電流小、電機(jī)工作平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、電機(jī)可控性高、節(jié)能等特點(diǎn)。

　　變頻調(diào)速按照控制方法主要有vvvf控制、滑差頻率控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等，其中，矢量控制能夠通過(guò)對(duì)電機(jī)的建模運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，具有最優(yōu)的控制性能。本文所述harsvert-fva系列高壓變頻器即采用此控制方法，其良好的控制性能，尤其適應(yīng)礦井提升機(jī)負(fù)載的需要。

　　在矢量控制方式下，變頻器能夠根據(jù)測(cè)量到的電壓、電流信號(hào)，以及事先測(cè)得的電機(jī)參數(shù)，根據(jù)內(nèi)建的電機(jī)模型，計(jì)算出電機(jī)的磁通位置、磁通幅值、輸出轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速。而后根據(jù)該轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的偏差，對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，如需要的輸出轉(zhuǎn)矩大于設(shè)定的“最大轉(zhuǎn)矩”，按照最大轉(zhuǎn)矩輸出。

　　與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式相比，在相同的負(fù)載下，加速過(guò)程中變頻調(diào)速方式電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小，電機(jī)電流更小，低速下從電網(wǎng)吸收的功率更小。這就意味著變頻調(diào)速方式下，電機(jī)老化程度更低，加速更平穩(wěn)，所乘人員舒適性更好，且具有顯著的節(jié)能效果。

4 運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)情況簡(jiǎn)介

　　4.1 harsert-fva系列高壓變頻器基本情況

　　此次變頻改造選用1臺(tái)harsvert-fva06/075高壓變頻器，額定電壓6kv，額定電流75a，額定功率560kw。

　　harsvert-fva系列高壓變頻器是北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的新一代能量回饋型矢量控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)首創(chuàng)無(wú)網(wǎng)側(cè)電抗器的四象限單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，通過(guò)無(wú)速度傳感器矢量控制算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確的控制。

　　harsvert-fva系列能量回饋型矢量控制高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜和控制柜組成，主回路結(jié)構(gòu)如圖3所示。激磁涌流抑制柜內(nèi)設(shè)有真空接觸器和限流電阻，限制變頻器高壓上電時(shí)的充電電流和激磁涌流不超過(guò)其額定電流；變壓器內(nèi)裝有整流變壓器，將網(wǎng)側(cè)高壓變換為副邊的多組低壓，為功率柜中的功率單元（低壓交-直-交變流器）供電，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，各功率單元輸出串聯(lián)構(gòu)成變頻器的高電壓輸出。變壓器柜和功率柜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　功率單元是整臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)變壓變頻輸出的基本單元，每個(gè)功率單元都相當(dāng)于一臺(tái)交-直-交電壓源型單相低壓變頻器。功率單元整流側(cè)用igbt三相全橋可控整流，中間采用電解電容濾波和儲(chǔ)能，輸出側(cè)為4只igbt組成的h橋，如圖5所示。每個(gè)功率單元內(nèi)設(shè)dsp高速運(yùn)算器，進(jìn)行可控整流算法的運(yùn)算和控制。由于采用可控整流技術(shù)，變頻器的輸入電流具有較高的功率因數(shù)（pf＞0.95）和較低的諧波含量（thd＜4%）。

　　變頻器主控系統(tǒng)通過(guò)光纖統(tǒng)一控制各功率單元的輸出側(cè)igbt，使變頻器整機(jī)輸出疊加后的多電平的pwm波形，如圖6所示。該電壓具有很高的正弦度，諧波含量很低。

　　harsvert-fva系列能量回饋高壓變頻器由于采用igbt三相全橋可控整流，具有100%功率的能量回饋能力，在減速制動(dòng)和下放重車時(shí)能夠?qū)⒛芰炕仞佒岭娋W(wǎng)，供其他設(shè)備使用，降低企業(yè)整體電耗水平，尤其適合礦井提升等四象限運(yùn)行工況需要。

　　變頻器采用先進(jìn)的無(wú)速度傳感器矢量控制算法，對(duì)電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確的解耦控制，能夠?qū)崿F(xiàn)零速（抱閘狀態(tài)）200%轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)、頻繁快速起停、快速加速、快速制動(dòng)等功能。

　　harsvert-fva系列高壓變頻器對(duì)礦用提升機(jī)負(fù)載進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，其輸出過(guò)載能力達(dá)200%/60s，完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要。

　　4.2 現(xiàn)場(chǎng)變頻改造情況

　　在整個(gè)的提升機(jī)系統(tǒng)中，高壓變頻器擔(dān)負(fù)著電氣傳動(dòng)和調(diào)速的重任，是主控命令的執(zhí)行者，有著頻繁啟動(dòng)、停止及其加減速的工作模式。當(dāng)主令控制器推離零位后，經(jīng)過(guò)可編程控制器的運(yùn)算發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的模擬量（電壓源和電流源）信號(hào)作為高壓變頻器的模擬輸入給定，高壓變頻器按主控臺(tái)發(fā)出的給定，按設(shè)定要求輸出對(duì)應(yīng)頻率和電壓驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)加速運(yùn)行。隨著高壓變頻器輸出頻率由最低升至最高時(shí)，提升機(jī)按設(shè)定的運(yùn)行曲線加速進(jìn)入等速段，當(dāng)提升容器運(yùn)行至減速點(diǎn)時(shí)，主控臺(tái)通過(guò)給定信號(hào)控制變頻器按規(guī)定要求減速運(yùn)行，此時(shí)變頻器輸出頻率由最高頻率按要求逐漸降為設(shè)定的爬行速度對(duì)應(yīng)得頻率（一般為5hz左右），提升機(jī)從正常階段進(jìn)入減速段運(yùn)行。當(dāng)速度降到設(shè)定的速度時(shí)，提升機(jī)進(jìn)入到低速段（爬行段）運(yùn)行，并保持該速度運(yùn)行。當(dāng)提升容器運(yùn)行到卸載位置時(shí)，主控臺(tái)檢測(cè)到容器到位信號(hào)后，工作閘回路斷電抱閘