高压变频调速电控系统在主井提升机上的技术应用

文/李钊

九里山矿位于焦作矿区东部，太行山南麓，井田面积17.5km2，西距焦作市18km。可采煤层为二迭系山西组二1煤，目前剩余可采储量5900余万吨，剩余服务年限40年，矿井核定实际提升能力125万吨/年。

一、提升概况

九里山矿提升机型号2JK-3.5/1.7-15.5，主电机为YR143/39-12-630KW，提升方式为立井箕斗提升，井筒深318m，提升机使用TKD型电控，提升机属于交流异步电机转子串电阻调速提升机类型。

串电阻调速提升机的电控调速属于逐级切除电阻，用主令控制器逐段切除电阻来达到加速和调速的目的。调速属有级调速，调速范围小，调速精度低，调速不平滑，对设备冲击大，故障率较高，并且爬行速度不易控制，安全性差。采用转子串电阻调速的电控系统的制动方式为能耗制动，制动所产生的再生电能全部消耗在电阻上，耗电量较大，运行维护量大，维护费用高。

为保证主井提升安全运转，提高主井提升机安全可靠性，将高压变频调速电控技术在主井提升机上进行应用，稳定运行在正转、反转、正传制动发电反馈、反转制动发电反馈四象限，保护完善，符合《煤矿安全规程》的要求。该系统成功解决了工频切电阻电控方式的调速不平滑、对设备冲击大、故障率高、故障查找不易、耗电量较大等问题，保障了主井提升机的安全运转。

二、主井提升机变频调速电控系统及技术关键

1.主井提升机变频调速电控系统

九里山矿主井高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主回路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压有限，无法直接逆变输入6KV，因为开关频率高，匀压难度大等技术难题无法完成直接串联。九里山矿高压变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用低压变频器的成熟技术，因此具有很高的可靠性。九里山矿主井提升高压变频调速器采用新型IGBT为主控器件，全数字化、彩色液晶触摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能为目标，采用先进的矢量控制变频调速技术完成主井提升机的四象限运行，用于绕线式主井提升机电机控制。高压变频器运用正弦波空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令，采用6个低压逆变器功率单元串联的方式实现直接6KV高压输出；所用的6KV高压变频器变压器用18个副边绕组，每组分为6个功率单元，共18个单元，采用36脉冲整流，输入端谐波成分远低于国家标准规定。

高压变频器是整个电控系统的一个核心部分，具有与电控系统相适配的各种接口。它接受电控系统的操作命令，包括开停机，正反转等，同时将运行状态，包括工作频率、电机电流、电源电压、电流及故障信息随时传送给电控系统。变频器本身又将工作信息及工作状态自动记录以备查阅。功率单元的所有输入输出接口均进行隔离，也避免给功率单元引入干扰。功率单元具有有源逆变能量回馈功能，当电机处于制动状态，电容器上的直流电压达到有源逆变起动的门槛电压时，电源自动启动有源逆变，将电机及其负载的机械能转化为电能回馈到电网中。

操作台（双PLC系统和中间继电器）以彩色液晶显示屏为主要显示设备，可以观察PLC运行情况，闸瓦、过卷、松绳、等速段超速等各外部接点动作状态，综合PLC工作状况可以观察各模拟量回路状态等，更加方便维修工作。同时还具有必要的开关量，可以独立提供必要的提升状态和数据，其中包括：安全回路指示灯，油压数字显示液压表，减速、故障声光报警显示，高低压表，电流表等。

2.技术关键

（1）数字电路实现主井提升机的双线制运行。

（2）变频调速实现四象限运行，主井提升机由能耗制动变为制动发电反馈。

（3）采用矢量控制技术，实现低速大转矩、起动力矩大的目的。

（4）充分发挥PLC的数字化、网络化及计算功能，使主井提升机具有完善的软硬保护功能，各主要保护实现双线型。

（5）满足主井提升机频繁启停要求。

三、九里山矿6KV高压变频电控的优势及特点

九里山矿主井提升机高压变频调速电控系统为该类型产品国内首创，在产品功能设计、产品质量保障措施、系统安全设计方面具有以下优势和特点：

1.主提升机在四象限运行稳定，各项参数优于同类产品。

2.控制系统采用220VAC和高压主电源6KV，双回路供电，系统运行可靠，操作更简便。

3.输入、输出谐波含量低，输入功率因数高，达到96%。采用容抗电路对奇次谐波进行了治理，无需滤波器和功率因数补偿，可直接驱动普通电机。

4.更适用于国内电网条件，变频器工作电压范围为Un：-20%～+15%，因此，6KV系统可稳定运行于6900V电压条件下。

5.限流功能。避免启动或负载突然变化时，因变频器输出电流过大而导致保护动作。

6.操作平台采用中文显示触摸屏系统，运行稳定，易学易用。报警内容语言化，方便使用。

7.结构紧凑，体积小。与国内同容量产品相比，柜体宽度仅为1.302m；完善的上位控制功能；可与DCS系统实现通讯 （采用标准MODBUS通讯规约）或I/0方式连接。

8.冷却风机采用高压主电源降压后直接驱动，风机仅在投运高压后运行，避免了冷却风机启停时对控制系统的影响。

9.功率单元模块化设计，可以互换，维护简单；二次接线模块化设计，现场接线简单，安装周期短。

四、主井提升机变频调速系统运行情况和结论

主井提升机变频调速电控系统在九里山矿投入运行后，进行了过卷、超速、错向、编码器断线、过载、欠压、缺相、闸瓦磨损等保护试验，结果各项保护均能可靠动作，且显示灵敏正确，达到了设计要求。经检验，主井提升机高压变频调速电控系统能够适应提升机频繁启动停止的工况要求。

主井提升机高压变频电控系统实现了低速大转矩运行。至今设备运行良好、工作可靠，对电机、减速器及钢丝绳无冲击机械损伤，大大提高了系统的安全性能，减速时变频器自动调速，并根据提升速度，制动闸自动投入，闸皮和闸盘磨损非常小，节电效果明显，通过变频调节电机转速，使电机出力与需求相当，不会造成能量浪费，节省能源，降低了能耗及维护费用。

主井提升机变频调速电控系统具有控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点，在调速范围、启动特性、动态响应、调节精度、输出特性、经济指标和操作监视等各个方面，都优于其他方式。