四象限高壓變頻器在煤礦主井提升系統(tǒng)中的應用

董永剛，孟令剛，曹世超

（邢臺職業(yè)技術學院，河北 邢臺 054035）

四象限高壓變頻器在煤礦主井提升系統(tǒng)中的應用

董永剛，孟令剛，曹世超

（邢臺職業(yè)技術學院，河北 邢臺 054035）

目前在我國煤礦主井提升系統(tǒng)中，大多采用轉子回路串電阻調(diào)速方式，該系統(tǒng)存在諸多弊端，影響煤礦的安全生產(chǎn)。本文將四象限高壓變頻器應用于煤礦主井提升系統(tǒng)，實現(xiàn)了設備的無級調(diào)速，并在下放過程中實現(xiàn)了能量回饋電網(wǎng)，從現(xiàn)場運行情況來看，節(jié)能效果顯著。

高壓變頻器；功率單元

河南神火集團葛店煤礦主井提升系統(tǒng)采用轉子回路串電阻調(diào)速方式，設備起動過程對電網(wǎng)沖擊較大，調(diào)速精度低。低速時較多的能量消耗在轉子回路上，下放重物時，需要動力制動，轉子回路電阻和制動閘配合工作，提升位置不易控制，安全性較差。轉子回路串電阻調(diào)速方式，不易實現(xiàn)設備自動化集成，無法檢測傳動系統(tǒng)工作狀態(tài)，為實現(xiàn)提升系統(tǒng)的智能化，提升機傳動系統(tǒng)改造勢在必行。本文將北京合康億盛公司的四象限高壓變頻器應用于葛店煤礦主井提升系統(tǒng)的改造。

一、四象限高壓變頻器工作原理

在目前的高壓變頻器中，常采用串聯(lián)H橋結構來獲取高壓。通過每相功率單元相串聯(lián)，使得器件工作在較低開關頻率的情況下，通過波形疊加技術實現(xiàn)電機運行所需要的電壓和頻率。

高壓變頻器的功率單元電路拓撲圖如圖1所示，該電路主要包括PWM整流器、直流環(huán)節(jié)、單相PWM逆變器。

PWM整流器是四象限變頻器的重要組成部分，電能經(jīng)過濾波電感流向直流側，通過調(diào)整流入整流器電流和電壓相位，可以改變高壓變頻器的功率因數(shù)。當電機工作在電動狀態(tài)時，能量從電網(wǎng)流向直流側。電機運行在發(fā)電狀態(tài)時，能量從電機流向電網(wǎng)，實現(xiàn)能量回饋。

圖1 高壓變頻器的功率單元電路拓撲圖

圖2 直接控制電流型PWM整流器結構圖

直接控制電流型PWM整流器結構圖如圖2所示，整流器網(wǎng)側電流幅值與相位的控制采用電壓和電流雙閉環(huán)來完成。為直流側電壓給定值，Udc為直流側電壓檢測值，二者通過比較環(huán)節(jié)送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器輸出為電流環(huán)給定。PWM整流器網(wǎng)側輸入電流經(jīng)過

功率單元的直流環(huán)節(jié)由電容串聯(lián)而成，并具有電阻均壓電路。該環(huán)節(jié)對整流后的直流電壓具有濾波和穩(wěn)壓作用，同時為后級負載提供無功能量。電容大小根據(jù)直流母線電壓和裝置容量而定。

單相PWM逆變單元是高壓變頻器功率單元重要組成部分，其作用是將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電。在高壓變頻器中，器件開關頻率一般不高，可以減少開關損耗。每相各個功率單元之間依次錯開一定電角度，依據(jù)波形疊加的原理，獲得所需的電壓。單相PWM逆變器采用矢量控制方式，通過檢測電機運行的電流和轉速，完成閉環(huán)控制。

二、高壓變頻器硬件組成

葛店煤礦主井改造中，選用北京合康HIVERT-YVF10/040型高壓變頻器，其硬件組成主要包括：起動柜、變壓器柜、功率單元柜。各個柜的作用如下：

（1）起動柜中配有起動電阻，可減小變頻器上電對電網(wǎng)造成的沖擊電流。

（2）變壓器柜由隔離移相變壓器、溫度控制儀、輸入電壓和電流檢測裝置、保護回路等組成。隔離移相變壓器即為功率單元提供相互錯開一定電角度的電源。溫控儀為變壓器提供超溫報警和過熱跳閘保護。輸入電壓和電流檢測的作用主要有兩個：供柜體上指示設備的狀態(tài)和為后級的整流器構成閉環(huán)運行提供參數(shù)。

（3）功率單元柜用于安裝控制系統(tǒng)、功率單元和控制部件，是高壓變頻器實現(xiàn)功率變換的主要單元。它由下面幾部分構成：控制器、人機界面、I/O接口板、功率單元、電抗器、控制變壓器部件、電壓檢測板、輸出電流霍爾元件、一次二次接線室等。其中控制器是高壓變頻器的中央單元，主要完成功率單元的控制、檢測和故障保護以及與外部設備通信等功能。

三、高壓變頻器與電控系統(tǒng)接口電路

變頻器與提升機電控系統(tǒng)的硬件接口電路是實現(xiàn)提升系統(tǒng)自動化的關鍵環(huán)節(jié)，本文采用的合康高壓變頻器具有豐富的硬件接口，其與提升機電控系統(tǒng)的部分接口電路如圖3所示。圖中的虛線框部分表示提升機電控系統(tǒng)，用來完成提升過程行程控制，故障保護與檢測以及與監(jiān)控中心通信等。在變頻器端子排XT1中：端子1與8、3與8構成兩組模擬輸出頻率，采用4-20MA電流表示，可以對外顯示當前變頻器輸出頻率。端子5與8、7與8構成兩組模擬輸出電流，可以對外輸出當前變頻器工作電流。端子9-25為數(shù)字量設定端子，實現(xiàn)對電機的正轉、反轉、急停、復位、多段速等功能。端子排XT2為變頻器高壓預備、故障輸出以及變頻器模擬量給定、反饋等信號。提升機電控系統(tǒng)一般采用高性能PLC對這些端口操作，完成提升工藝要求。

圖3 合康高壓變頻器與提升機電控系統(tǒng)接口圖

四、設備現(xiàn)場運行分析

絞車型號：2JK-3×1.2E 立井提升高度：261.8m

電機功率：710kW 滾筒直徑：3m

提升速度（最大）：7.67m/s 變頻器型號：HIVERT-YVF06/096

變頻器容量：1 000kVA

高壓變頻器具有四象限運行功能，當提升機下放重物時，電機由電動狀態(tài)過渡到發(fā)電狀態(tài)，將能量饋送到電網(wǎng)側，實現(xiàn)能量回饋?，F(xiàn)場調(diào)試整流器工作在逆變狀態(tài)下的電壓和電流波形如圖4所示。

圖4 PWM整流器工作在逆變和整流狀態(tài)波形圖

在圖4中，示波器通道1為整流器電源側電壓波形，通道2為整流器電源側電流波形，從現(xiàn)場所測波形可以看出，整流器工作在有源逆變狀態(tài)下，電壓和電流相位差180°，實現(xiàn)能量的單位功率因數(shù)回饋。

提升上行時，能量由電網(wǎng)流向負載，通過控制整流器網(wǎng)側電流和電壓相位，使整個傳動系統(tǒng)保持較高功率因數(shù)運行，整流器工作在整流狀態(tài)下電壓和電流波形如圖4所示，流入整流器的電壓和電流同相位，實現(xiàn)高功率因數(shù)運行。

從設備現(xiàn)場運行情況來看，采用高壓變頻器拖動提升系統(tǒng)，使得整機自動化程度得到提高，節(jié)能效果顯著。

［1］陳宜東.高壓變頻器在礦井主提升機上的應用［J］.山西科技，2013（4）.

［2］張亮. AFE在高壓變頻器中的應用研究［D］.洛陽：河南科技大學，2009.

High-Voltage Four Quadrant Inverter in the Application of the Coal Mine Main Hoisting System

DONG Yong-Gang，MENG Ling-gang，CAO Shi-chao

（Xingtai Polytechnic College， Xingtai， Hebei 054035， China）

At present， the coal mine main shaft hoisting system mostly adopt the rotor circuit series resistance speed control mode. The system has many disadvantages， affect the safety of coal mine production. In this paper，High-Voltage four quadrant inverter was applied in coal mine main shaft hoisting system， so as to realize the stepless speed regulation and in the descent process has realized the energy feedback power grid. From the point of on-site operation， energy saving effect is remarkable.

high-voltage inverter； power unit

TD633

A

1008—6129（2015）03—0083—03

（責任編輯 王傲冰）

2015—03—20

董永剛（1979—），河北永年人，邢臺職業(yè)技術學院電氣工程系，講師。