矿井主提升机高压变频调速装置技术运用

陈 涌 沈立明

（1.淮北矿业集团岱河煤矿机电科，安徽 淮北235038 2.铁法煤业集团有限责任公司大兴矿，辽宁 调兵山 112700）

1 目的与意义

传统老矿井提升机普遍使用交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统，调速方式技术落后，且运行效果差，表现在提升机调速性能差，运行速度单一，不能做到多级速度运行；特别在负载变动时很难实现恒加减速控制，经常会造成过放和过卷事故。提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生大量的能耗；外接电阻及切换柜占地面积大；转子串电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，影响生产效益。电机频繁启动，虽然转子电阻能限制启动电流，但启动电流仍然很大，对电机及提升设备产生很大冲击，影响使用寿命；且运行不平稳，需要通过抱闸配合，很难实现准确定位，司机在操作过程中一直处于高度紧张状态；启动和制动时，噪声大，严重污染环境。

随着电气传动技术,尤其是变频调速技术的发展,单象限高压变频调速技术已经基本成熟。高压电机采用变频调速技术实现无级调速,从而满足生产工艺对电机调速控制的要求,能大幅度节约能源,降低了生产成本。提升机高压大功率四象限变频调速装置，使提升机在整个运行过程中实现无极变频调速，扩大交流提升机应用范围，提高电控装备水平。

2 提升机对高压变频器的要求

矿山提升机是煤炭企业生产的关键设备，一旦提升机不能正常工作，将造成全矿停产，造成巨大经济损失，因此要求高压变频器具有极高的可靠性。由于提升机类负载对变频器有着诸多特殊的要求，所以一般普通高压变频器不可能直接用到提升机上。特别是对于副井提升，一方面用于提升人员，另一方面负载变化大，存在多种工况条件，如轻、重载、提升、下放等，对起动转矩要求比较大。综合来说，提升机对变频器要求有以下主要特点：（1）要求技术先进，可靠性高，适应恶劣的使用环境；（2）要求能实现四象限运行，解决能量回馈，电气减速或重物下放时变频器将再生电能送向电网；（3）启动力矩、低频力矩、加速力矩、制动力矩有严格要求。 启动转矩2倍以上，150%额定电流以下连续运行，200%额定电流一分钟保护。要求有完善的数字控制功能。（4）调速性能平滑，范围宽，精度高，恒转矩低速爬行时需求速度平稳，并满足多速度等级长期运行。

3 相关技术的应用

（1）高压变频器技术

引入单元串联多电平高压变频调速技术，可以实现系统无级调速，及多速度等级平稳运行。只要在变频器内改变输出电压相序，实现提升机正反转运行，而不需要换向装置。

（2）有速度传感器的矢量控制技术

转子带速度反馈的矢量控制技术。在转子磁场定位坐标下电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变，控制转矩电流也就控制电机转矩。电机转速采用闭环控制。实现运行中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流IT。经过矢量变换将IT、IM变换为电机三相给定电流Ia*、Ib*、Ic*，它们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号，从而实现了对电机转矩的直接控制。

在功率单元串联高压变频器技术基础上，首先采用矢量控制技术，攻克了功率单元串联的矢量控制技术这一难题，从而使得系统具有较高的动态转矩控制性能，矢量控制技术由于实现了电机励磁电流与转矩电流之间的解耦，电机转矩易于控制，因而实现了矿井提升重载起动，且与传统提升机相比，获得同样的转矩所对应的电机电流小。

（3）功率单元同步整流技术

功率单元利用IGBT进行同步整流，同步整流控制器实时检测单元电网输入电压，利用锁相控制技术得到电网输入电压相位，控制整流逆变开关管所构成的相位与电网电压的相位差，便可控制电功率在电网与功率单元之间的流向。逆变相位超前，功率单元将电能回馈给电网，反之电功率由电网注入功率单元。电功率大小与相位差成正比。电功率的大小及流向由单元电压决定，就同步整流而言，整流侧相当于一个稳压电源，与电功率大小及方向相对应的电网与逆变相位差由单元电压与单元整定值之间的偏差通过PID调节生成。

实现功率单元同步整流技术，在功率单元串联型高压变频器内，首先采用功率单元同步整流，解决了电网电能与变频器之间能量双向传递这一技术难题，提升情形下，同步整流从电网中吸取电能通过电机将电能转化成机械能，提升重物，快速制动或重物下降时电机处于发生电状态，电机将机械转换成电能注入功率单元，此时同步整流电路将注入的电功率单元输送给电网，系统处于发电状态实现了能量回馈这一功能。

结论：将现代交流传动中最先进的矢量控制技术及同步整流技术引入到功率单元串联型高压变频器中。推出集高性能转矩控制与能量回馈技术于一身的矢量控制高压变频器，特别适用于矿井提升这一应用场合。传统的变频器主要采用变频变压控制方式，无法做到转矩解耦控制，动态过程中形成转矩振荡，且低速开关管死区影响及低频时电机齿槽的影响，转矩脉冲大，因此很难实现低速大转矩，不能满足提升这一特殊要求。将矢量控制这一先进技术应用到高压变频器中，攻克功率单元串联与矢量控制技术之间组合这一技术难题，实现高压变频矢量控制技术，可为高压变频在提升等领域广泛应用开辟广阔的空间。

同步整流技术运用到高压变频功率单元中，让每一个功率单元不仅具备正常整流功能，而且还具备100%的能量回馈能力，从而为高压变频器完成急起、急停、重物下放等工作提供了技术保障。一般情况下，高压变频器解决能量回馈问题非常困难，一般在功率单元中安装制动电阻，当系统快速制动或重物下放时，产生的回馈功率让功率电阻消耗，这对于处理小功能回馈问题是可以的，但对于提升机大惯量系统快速制动或重物连续高速下放，靠功率电阻消耗也很难满足要求，不能处理大功率能量回馈问题，实现同步整流技术，系统不仅能处理回馈大功率，而且还能发电节能，提高了系统的能源利用效率。

在高压变频器技术基础上，应用矢量控制及同步整流技术，让系统不仅具备优越的转矩控制性能，而且能实现大转动惯量快速制动及重物下放所带来的大功率能量回馈。使高压变频调速电控系统不仅提高了矿山交流提升系统的安全性和可靠性，确保了提升机高质量运行，而且实现了高转矩、高精度、宽调速范围驱动，是交流提升机电控系统发展的方向，应用前景广阔。

[1]《变频器应用技术与实践》ISBN9787508385020，作者：张选正，中国电力出版社。

[2]《图解变频器应用》ISBN9787508383965，作者：李燕，中国电力出版社。

[3]《交流电机控制基础》ISBN9787122065735，作者：李珍国，化学工业出版社。

[4]《高压大功率变频器技术原理与应用》ISBN9787115170200，作者：利德化福，人民邮电出版社。

[5]《交流变频调速技术》ISNB9787810778730作者：何超，北京航空航天大学出版社。

[6]《中高压变频器应用技术》ISBN9787121045189，作者：张选正，电子工业出版社。

[7]《高压大功率交流变频调速技术》ISBN9787111192183，作者：杨梅，机械工业出版社。

[8]《电机拖动与控制技术》ISBN9787121037795，作者：程周，电子工业出版社。