礦井主提升機(jī)高壓變頻調(diào)速裝置技術(shù)運(yùn)用

陳 涌 沈立明

（1.淮北礦業(yè)集團(tuán)岱河煤礦機(jī)電科，安徽 淮北235038 2.鐵法煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司大興礦，遼寧 調(diào)兵山 112700）

1 目的與意義

傳統(tǒng)老礦井提升機(jī)普遍使用交流繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制系統(tǒng)，調(diào)速方式技術(shù)落后，且運(yùn)行效果差，表現(xiàn)在提升機(jī)調(diào)速性能差，運(yùn)行速度單一，不能做到多級(jí)速度運(yùn)行；特別在負(fù)載變動(dòng)時(shí)很難實(shí)現(xiàn)恒加減速控制，經(jīng)常會(huì)造成過放和過卷事故。提升機(jī)頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)工作過程會(huì)使轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速產(chǎn)生大量的能耗；外接電阻及切換柜占地面積大；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，影響生產(chǎn)效益。電機(jī)頻繁啟動(dòng)，雖然轉(zhuǎn)子電阻能限制啟動(dòng)電流，但啟動(dòng)電流仍然很大，對(duì)電機(jī)及提升設(shè)備產(chǎn)生很大沖擊，影響使用壽命；且運(yùn)行不平穩(wěn)，需要通過抱閘配合，很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，司機(jī)在操作過程中一直處于高度緊張狀態(tài)；啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，噪聲大，嚴(yán)重污染環(huán)境。

隨著電氣傳動(dòng)技術(shù),尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,單象限高壓變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)基本成熟。高壓電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速,從而滿足生產(chǎn)工藝對(duì)電機(jī)調(diào)速控制的要求,能大幅度節(jié)約能源,降低了生產(chǎn)成本。提升機(jī)高壓大功率四象限變頻調(diào)速裝置，使提升機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)無極變頻調(diào)速，擴(kuò)大交流提升機(jī)應(yīng)用范圍，提高電控裝備水平。

2 提升機(jī)對(duì)高壓變頻器的要求

礦山提升機(jī)是煤炭企業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，一旦提升機(jī)不能正常工作，將造成全礦停產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此要求高壓變頻器具有極高的可靠性。由于提升機(jī)類負(fù)載對(duì)變頻器有著諸多特殊的要求，所以一般普通高壓變頻器不可能直接用到提升機(jī)上。特別是對(duì)于副井提升，一方面用于提升人員，另一方面負(fù)載變化大，存在多種工況條件，如輕、重載、提升、下放等，對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求比較大。綜合來說，提升機(jī)對(duì)變頻器要求有以下主要特點(diǎn)：（1）要求技術(shù)先進(jìn)，可靠性高，適應(yīng)惡劣的使用環(huán)境；（2）要求能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，解決能量回饋，電氣減速或重物下放時(shí)變頻器將再生電能送向電網(wǎng)；（3）啟動(dòng)力矩、低頻力矩、加速力矩、制動(dòng)力矩有嚴(yán)格要求。 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩2倍以上，150%額定電流以下連續(xù)運(yùn)行，200%額定電流一分鐘保護(hù)。要求有完善的數(shù)字控制功能。（4）調(diào)速性能平滑，范圍寬，精度高，恒轉(zhuǎn)矩低速爬行時(shí)需求速度平穩(wěn)，并滿足多速度等級(jí)長期運(yùn)行。

3 相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用

（1）高壓變頻器技術(shù)

引入單元串聯(lián)多電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無級(jí)調(diào)速，及多速度等級(jí)平穩(wěn)運(yùn)行。只要在變頻器內(nèi)改變輸出電壓相序，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，而不需要換向裝置。

（2）有速度傳感器的矢量控制技術(shù)

轉(zhuǎn)子帶速度反饋的矢量控制技術(shù)。在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定位坐標(biāo)下電機(jī)定子電流分解成勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流。維持勵(lì)磁電流不變，控制轉(zhuǎn)矩電流也就控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)轉(zhuǎn)速采用閉環(huán)控制。實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值通過PID調(diào)節(jié)生成轉(zhuǎn)矩電流IT。經(jīng)過矢量變換將IT、IM變換為電機(jī)三相給定電流Ia*、Ib*、Ic*，它們與電機(jī)運(yùn)行電流相比較生成三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制。

在功率單元串聯(lián)高壓變頻器技術(shù)基礎(chǔ)上，首先采用矢量控制技術(shù)，攻克了功率單元串聯(lián)的矢量控制技術(shù)這一難題，從而使得系統(tǒng)具有較高的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制性能，矢量控制技術(shù)由于實(shí)現(xiàn)了電機(jī)勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流之間的解耦，電機(jī)轉(zhuǎn)矩易于控制，因而實(shí)現(xiàn)了礦井提升重載起動(dòng)，且與傳統(tǒng)提升機(jī)相比，獲得同樣的轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的電機(jī)電流小。

（3）功率單元同步整流技術(shù)

功率單元利用IGBT進(jìn)行同步整流，同步整流控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)單元電網(wǎng)輸入電壓，利用鎖相控制技術(shù)得到電網(wǎng)輸入電壓相位，控制整流逆變開關(guān)管所構(gòu)成的相位與電網(wǎng)電壓的相位差，便可控制電功率在電網(wǎng)與功率單元之間的流向。逆變相位超前，功率單元將電能回饋給電網(wǎng)，反之電功率由電網(wǎng)注入功率單元。電功率大小與相位差成正比。電功率的大小及流向由單元電壓決定，就同步整流而言，整流側(cè)相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)壓電源，與電功率大小及方向相對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)與逆變相位差由單元電壓與單元整定值之間的偏差通過PID調(diào)節(jié)生成。

實(shí)現(xiàn)功率單元同步整流技術(shù)，在功率單元串聯(lián)型高壓變頻器內(nèi)，首先采用功率單元同步整流，解決了電網(wǎng)電能與變頻器之間能量雙向傳遞這一技術(shù)難題，提升情形下，同步整流從電網(wǎng)中吸取電能通過電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，提升重物，快速制動(dòng)或重物下降時(shí)電機(jī)處于發(fā)生電狀態(tài)，電機(jī)將機(jī)械轉(zhuǎn)換成電能注入功率單元，此時(shí)同步整流電路將注入的電功率單元輸送給電網(wǎng)，系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了能量回饋這一功能。

結(jié)論：將現(xiàn)代交流傳動(dòng)中最先進(jìn)的矢量控制技術(shù)及同步整流技術(shù)引入到功率單元串聯(lián)型高壓變頻器中。推出集高性能轉(zhuǎn)矩控制與能量回饋技術(shù)于一身的矢量控制高壓變頻器，特別適用于礦井提升這一應(yīng)用場(chǎng)合。傳統(tǒng)的變頻器主要采用變頻變壓控制方式，無法做到轉(zhuǎn)矩解耦控制，動(dòng)態(tài)過程中形成轉(zhuǎn)矩振蕩，且低速開關(guān)管死區(qū)影響及低頻時(shí)電機(jī)齒槽的影響，轉(zhuǎn)矩脈沖大，因此很難實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩，不能滿足提升這一特殊要求。將矢量控制這一先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到高壓變頻器中，攻克功率單元串聯(lián)與矢量控制技術(shù)之間組合這一技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)高壓變頻矢量控制技術(shù)，可為高壓變頻在提升等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用開辟廣闊的空間。

同步整流技術(shù)運(yùn)用到高壓變頻功率單元中，讓每一個(gè)功率單元不僅具備正常整流功能，而且還具備100%的能量回饋能力，從而為高壓變頻器完成急起、急停、重物下放等工作提供了技術(shù)保障。一般情況下，高壓變頻器解決能量回饋問題非常困難，一般在功率單元中安裝制動(dòng)電阻，當(dāng)系統(tǒng)快速制動(dòng)或重物下放時(shí)，產(chǎn)生的回饋功率讓功率電阻消耗，這對(duì)于處理小功能回饋問題是可以的，但對(duì)于提升機(jī)大慣量系統(tǒng)快速制動(dòng)或重物連續(xù)高速下放，靠功率電阻消耗也很難滿足要求，不能處理大功率能量回饋問題，實(shí)現(xiàn)同步整流技術(shù)，系統(tǒng)不僅能處理回饋大功率，而且還能發(fā)電節(jié)能，提高了系統(tǒng)的能源利用效率。

在高壓變頻器技術(shù)基礎(chǔ)上，應(yīng)用矢量控制及同步整流技術(shù)，讓系統(tǒng)不僅具備優(yōu)越的轉(zhuǎn)矩控制性能，而且能實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量快速制動(dòng)及重物下放所帶來的大功率能量回饋。使高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)不僅提高了礦山交流提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，確保了提升機(jī)高質(zhì)量運(yùn)行，而且實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動(dòng)，是交流提升機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展的方向，應(yīng)用前景廣闊。

[1]《變頻器應(yīng)用技術(shù)與實(shí)踐》ISBN9787508385020，作者：張選正，中國電力出版社。

[2]《圖解變頻器應(yīng)用》ISBN9787508383965，作者：李燕，中國電力出版社。

[3]《交流電機(jī)控制基礎(chǔ)》ISBN9787122065735，作者：李珍國，化學(xué)工業(yè)出版社。

[4]《高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應(yīng)用》ISBN9787115170200，作者：利德化福，人民郵電出版社。

[5]《交流變頻調(diào)速技術(shù)》ISNB9787810778730作者：何超，北京航空航天大學(xué)出版社。

[6]《中高壓變頻器應(yīng)用技術(shù)》ISBN9787121045189，作者：張選正，電子工業(yè)出版社。

[7]《高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)》ISBN9787111192183，作者：楊梅，機(jī)械工業(yè)出版社。

[8]《電機(jī)拖動(dòng)與控制技術(shù)》ISBN9787121037795，作者：程周，電子工業(yè)出版社。