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在礦井的各動(dòng)力設(shè)備中，提升機(jī)系統(tǒng)是較為重要、耗能較大的設(shè)備。提升機(jī)運(yùn)行的可靠性直接影響礦井的產(chǎn)能和人員、設(shè)備升降井速度，直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)水平；同時(shí)提升機(jī)的調(diào)速方式也是對(duì)噸煤電耗水平影響較大的因素。

長(zhǎng)期以來(lái)，礦用提升機(jī)普遍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。
2 普通高壓變頻器與風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器的差異
2.1普通高壓變頻器

通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，三相交流電首先通過(guò)二極管不控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動(dòng)機(jī)供電。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動(dòng)和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機(jī)、軋鋼機(jī)、大型龍門刨床、卷繞機(jī)構(gòu)張力系統(tǒng)及機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。因?yàn)檫@種系統(tǒng)要求電機(jī)四象限運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)減速、制動(dòng)或者帶位能性負(fù)載重物下放時(shí)，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過(guò)高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍。
2.2風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器

為解決電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，國(guó)內(nèi)在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動(dòng)方式，即通過(guò)內(nèi)置或外加制動(dòng)電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，該方法雖然簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的： (1)浪費(fèi)能量，降低了系統(tǒng)的效率；(2)電阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作；(3)簡(jiǎn)單的能耗制動(dòng)有時(shí)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動(dòng)性能的提高。

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，并克服傳統(tǒng)制動(dòng)方法的并聯(lián)電阻消耗能量造成的浪費(fèi)，新風(fēng)光率先研制了提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，在變頻器整流電路中采用自關(guān)斷器件進(jìn)行PWM控制，使能量雙向流動(dòng)，使電機(jī)四象限運(yùn)行；使電機(jī)很快達(dá)到速度要求，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

風(fēng)光JD-BP37-T系列高性能高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，以高速DSP（TMS320F2812）為控制核心，結(jié)合矢量控制技術(shù)，融合了能量回饋技術(shù)，以及IGBT大電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，是新一代高性能較少諧波高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品的典型代表。矢量控制功能使得異步電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)好，調(diào)速精度高。能量回饋技術(shù)的應(yīng)用，使得功率單元串聯(lián)型高壓變頻器具備了四象限運(yùn)行能力，能量可以在電網(wǎng)和電機(jī)之間雙向流動(dòng)。矢量控制技術(shù)原理如圖1所示。 

圖1 矢量控制技術(shù)原理框圖

高壓提升機(jī)變頻器功率單元原理如圖2所示，高壓提升機(jī)變頻器能夠進(jìn)行能量回饋，功率單元硬件上相對(duì)普通高壓變頻器將輸入整流二極管更換為IGBT，控制上采用雙PWM整流，實(shí)現(xiàn)了能量雙向流動(dòng)。

圖2 高壓提升機(jī)變頻器功率單元原理框圖

風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器在工作中具有以下特點(diǎn)：
①當(dāng)電機(jī)處于拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量由交流電網(wǎng)經(jīng)整流器中間濾波電容充電，逆變器在PWM控制下將能量傳送到電機(jī)。
②當(dāng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器的續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時(shí)在PWM控制下將能量回饋到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動(dòng)。
由于PWM整流器閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除了網(wǎng)側(cè)諧波污染。其優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好。
風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器回饋電流和電網(wǎng)電壓波形如圖3所示。能量傳遞過(guò)程如圖4所示。    

圖3 回饋電流和電網(wǎng)電壓波形

圖4 能量傳遞過(guò)程示意圖

風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器除具有普通高壓變頻器的功能外，還針對(duì)絞車控制，具有以下突出特點(diǎn)：
（1）電源輸入勵(lì)磁涌流限制技術(shù)：該技術(shù)使得系統(tǒng)在每次上高壓電時(shí)的沖擊電流小，對(duì)電網(wǎng)的沖擊也很小。
（2）系統(tǒng)斷電自動(dòng)保護(hù)技術(shù)：確保任何情況下系統(tǒng)都能安全運(yùn)行。如果沒(méi)有：提升機(jī)重載下放過(guò)程中，遇到系統(tǒng)停電時(shí)，會(huì)造成單元損壞甚至整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。
（3）變頻裝置為直接高-高結(jié)構(gòu)，直接6kV/10kV輸入，直接6kV/10kV輸出，可以直接安裝使用,不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任何改造。
（4）功率單元自動(dòng)旁路技術(shù)：在提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，意外出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)功率單元故障時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)將故障單元旁路，系統(tǒng)進(jìn)入星點(diǎn)偏移控制，保持輸出的線電壓平衡，同時(shí)保持最大輸出轉(zhuǎn)矩、電壓，完成本次提升任務(wù)。
（5）獨(dú)立的控制電源技術(shù)：系統(tǒng)在不上高壓電的情況下可以檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的波形和調(diào)試、培訓(xùn)等，方便用戶自行檢修和維護(hù)。
（6）空載低損耗控制技術(shù): 變頻系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)下，空載損耗小，經(jīng)實(shí)測(cè)比通用技術(shù)產(chǎn)品要低2～3倍。
（7）采用矢量控制技術(shù)，電機(jī)可四象限運(yùn)行，具有不施閘懸停和力矩預(yù)置技術(shù)。
（8）承諾可以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)：1～2個(gè)單元故障可以旁路，完成一個(gè)提升循環(huán)。提升機(jī)滿載、全速提升和下放電源停電試驗(yàn)，確保變頻器不損壞。
（9）風(fēng)光變頻器單元內(nèi)電解電容因采取了本公司的專利技術(shù)（專利號(hào)ZL 2003 2 017356.2），可以將其使用壽命提高一倍。
（10）提升機(jī)變頻器具有回饋制動(dòng)、直流制動(dòng)、安全制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)等多項(xiàng)制動(dòng)方式，保證了絞車可靠運(yùn)行。
（11）具有完備的與電控系統(tǒng)對(duì)接的各個(gè)接口，實(shí)現(xiàn)與電控系統(tǒng)無(wú)縫連接。
3風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器品質(zhì)保證措施

為提高可靠性，風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器采取了以下措施：
3.1設(shè)計(jì)及工藝保證措施
（1）冗余技術(shù)
這包括器件冗余（電壓冗余、電流冗余等）、電路冗余、單元冗余等等。
（2）改進(jìn)吸收電路設(shè)計(jì)，減小IGBT的電壓、電流應(yīng)力。
（3）低溫升設(shè)計(jì)
功率器件、電解電容使用壽命和工作溫度密切相關(guān)，一般給出80℃時(shí)的工作壽命，溫度每升高10℃壽命約降低一半，每下降10℃壽命增加一倍。盡可能地降低整機(jī)溫升，將會(huì)大幅度提高整機(jī)可靠性。
（4）抗干擾設(shè)計(jì)
要保證整機(jī)高可靠性運(yùn)行，應(yīng)最大限度的提高整機(jī)抗干擾性能，主要從以下幾方面著手：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（屏蔽、接地隔離等措施）、工藝設(shè)計(jì)（排板、布線等盡可能合理）、電源設(shè)計(jì)（控制電源應(yīng)良好凈化，避免從電源引入干擾）、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、制造工藝等等。
（5）高溫老化試驗(yàn)、步入式高低溫交變濕熱試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)等試驗(yàn)手段齊全，可通過(guò)此試驗(yàn)可檢杳出不良品或不良件，充分提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。
3.2實(shí)驗(yàn)手段保證

新風(fēng)光電子公司高壓提升機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)同行業(yè)設(shè)計(jì)較先進(jìn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^強(qiáng)大的提升機(jī)產(chǎn)品試驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由國(guó)家配變電實(shí)驗(yàn)中心——天津電氣傳動(dòng)研究所設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠滿足提升機(jī)變頻器的各種實(shí)驗(yàn)要求，真實(shí)模擬絞車提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)各種工況，是風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器品質(zhì)的有力保證。
每臺(tái)風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻出廠前除與普通高壓變頻進(jìn)行正常的檢驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)等外，還單獨(dú)進(jìn)真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，真正做到四象限運(yùn)行。在真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)中，主要試驗(yàn)的項(xiàng)目有低頻帶載提升、起動(dòng)時(shí)的直流制動(dòng)、外部故障時(shí)的急停、單元故障時(shí)的星點(diǎn)偏移、高速下放時(shí)的回饋制動(dòng)、與電控接口的邏輯等各項(xiàng)試驗(yàn)。
4用戶情況介紹

內(nèi)蒙古某煤礦，是一座年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1500萬(wàn)噸的現(xiàn)代化煤炭企業(yè)集團(tuán)，礦井設(shè)計(jì)采用立井開拓方式，布置兩個(gè)大采高綜采工作面，被列為國(guó)家煤炭工業(yè)“十二五”規(guī)劃開工建設(shè)的項(xiàng)目。該礦副井提升電控系統(tǒng)采用交流繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬有級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍受限，調(diào)速精度低，在減速時(shí)和下放重物時(shí)，浪費(fèi)了大量的電能。具體來(lái)說(shuō)有以下缺點(diǎn)：
(1)大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。
(2)控制系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)碳刷容易損壞，維護(hù)工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。
(3)低速和爬行階段需要依靠制動(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制，特別是在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)減速控制，導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。
(4)啟動(dòng)和換檔沖擊電流大，造成了很大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。
(5)自動(dòng)化程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。
(6)低速段的啟動(dòng)力矩小，機(jī)械特性比較軟，帶負(fù)載能力差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。
礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過(guò)研究，決定改造副井提升機(jī)加裝變頻器，同時(shí)保留原控制系統(tǒng)，使兩套系統(tǒng)互為備用，增加系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。變頻器選用的是新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-1400T（1400kW/6kV）高壓提升機(jī)變頻器，改造取得了成功。
提升機(jī)參數(shù)如表1、拖動(dòng)電機(jī)參數(shù)表2所示。
礦機(jī)提升機(jī)參數(shù)如表1所示。 拖動(dòng)電機(jī)參數(shù)如表2所示。    



風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器具體參數(shù)如表3所示。 


5改造主回路方案

為了確保安全可靠，讓變頻調(diào)速系統(tǒng)與原調(diào)速系統(tǒng)并存，互為備用，隨時(shí)可以切換。改造系統(tǒng)控制思路如圖5所示。

  

圖5  工、變頻系統(tǒng)切換控制

高壓提升機(jī)變頻器是整個(gè)改造系統(tǒng)的一個(gè)核心部分，它具有與電控系統(tǒng)相適配的各種接口。配合自動(dòng)控制的操作臺(tái)運(yùn)行時(shí)，電控臺(tái)向變頻器發(fā)出“正轉(zhuǎn)運(yùn)行”、“反轉(zhuǎn)運(yùn)行”和“變頻急停”三路開關(guān)量信號(hào)，以及一路4～20mA“給定轉(zhuǎn)速”信號(hào)。變頻器向電控臺(tái)發(fā)出“變頻器待機(jī)”、“變頻器故障”和“安全回路”三路開關(guān)量信號(hào)，以及用于顯示的模擬量輸出信號(hào)。電控臺(tái)控制高壓斷路器分、合閘，分別連入相應(yīng)的控制回路中。絞車上安裝的軸編碼器向電控臺(tái)發(fā)出電機(jī)轉(zhuǎn)速及絞車位置信號(hào)。電控臺(tái)接受絞車司機(jī)的操作指令。

整個(gè)提升機(jī)系統(tǒng)中設(shè)有深度指示失效、限速、過(guò)卷、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)油過(guò)壓、閘瓦磨損、松繩、速度監(jiān)視、制動(dòng)油超溫、潤(rùn)滑油超壓欠壓、變頻器的輕重故障等保護(hù)功能。系統(tǒng)能根據(jù)故障性質(zhì)做出響應(yīng)，必要時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)，確保設(shè)備及人員的安全。主回路改造原理如圖6所示：

圖6  主回路改造圖

圖6中K1、K2、K3為三臺(tái)高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K1、K3與K2采用電磁互鎖操動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電磁和機(jī)械互鎖。K4為轉(zhuǎn)子側(cè)雙擲開關(guān)，變頻運(yùn)行時(shí)，K4切換到變頻側(cè)，繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)雙擲開關(guān)K4后處于短接狀態(tài)；工頻運(yùn)行時(shí)，K4切換到工頻側(cè)，繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)K4接至原調(diào)速電阻裝置。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開，K4切換到變頻側(cè)，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合，K4切換到工頻側(cè)，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。另外，為了保證安全，變頻器高壓連跳信號(hào)和上一級(jí)的高壓斷路器也實(shí)現(xiàn)互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級(jí)高壓斷路器的脫扣線圈，變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，上一級(jí)的高壓斷路器斷開，實(shí)現(xiàn)高壓故障連跳功能。
6現(xiàn)場(chǎng)變頻調(diào)試運(yùn)行情況

2015年8月，高壓提升機(jī)變頻器安裝就位后，開始安裝、調(diào)試變頻器。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況情況，把變頻器工作方式設(shè)置為無(wú)旋轉(zhuǎn)編碼器矢量控制工作方式，同時(shí)把電動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后帶空電動(dòng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)行，查看變頻器的工作情況與理論工作曲線進(jìn)行比較后再次調(diào)整電機(jī)設(shè)置參數(shù)，使實(shí)際運(yùn)行曲線與理論曲線達(dá)到一致，最后帶滾筒對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

為了驗(yàn)證變頻器的帶載能力，提升機(jī)罐籠裝滿沙石料（超過(guò)額定負(fù)載量），變頻器運(yùn)行在1.5Hz，輸入電流在18.5A，輸出電流達(dá)到206A（電動(dòng)機(jī)額定電流143A），罐籠緩慢的提升，運(yùn)行平穩(wěn)；為了驗(yàn)證下放回饋能力，現(xiàn)場(chǎng)把正常工作使用的傘鉆作為重物進(jìn)行試驗(yàn)（傘鉆重量為13噸），下放運(yùn)行頻率1.5Hz，輸出電流100A，輸入電流12A，變頻器回饋工作正常。變頻改造后，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)加減速過(guò)程的平穩(wěn)控制，運(yùn)行過(guò)程纜繩擺幅明顯減小，人員升降舒適性明顯提高，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流與啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)顯著降低；省去了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，變頻改造后，在提升產(chǎn)量相同的情況下，變頻運(yùn)行時(shí)比工頻節(jié)能20%以上。
7結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器在煤礦提升機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻電控系統(tǒng)改造中，不僅提高了提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，而且大大減低了維護(hù)費(fèi)用，節(jié)能效果明顯，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。