四象限高压变频器在煤矿主井提升系统中的应用

董永刚，孟令刚，曹世超

（邢台职业技术学院，河北 邢台 054035）

四象限高压变频器在煤矿主井提升系统中的应用

董永刚，孟令刚，曹世超

（邢台职业技术学院，河北 邢台 054035）

目前在我国煤矿主井提升系统中，大多采用转子回路串电阻调速方式，该系统存在诸多弊端，影响煤矿的安全生产。本文将四象限高压变频器应用于煤矿主井提升系统，实现了设备的无级调速，并在下放过程中实现了能量回馈电网，从现场运行情况来看，节能效果显著。

高压变频器；功率单元

河南神火集团葛店煤矿主井提升系统采用转子回路串电阻调速方式，设备起动过程对电网冲击较大，调速精度低。低速时较多的能量消耗在转子回路上，下放重物时，需要动力制动，转子回路电阻和制动闸配合工作，提升位置不易控制，安全性较差。转子回路串电阻调速方式，不易实现设备自动化集成，无法检测传动系统工作状态，为实现提升系统的智能化，提升机传动系统改造势在必行。本文将北京合康亿盛公司的四象限高压变频器应用于葛店煤矿主井提升系统的改造。

一、四象限高压变频器工作原理

在目前的高压变频器中，常采用串联H桥结构来获取高压。通过每相功率单元相串联，使得器件工作在较低开关频率的情况下，通过波形叠加技术实现电机运行所需要的电压和频率。

高压变频器的功率单元电路拓扑图如图1所示，该电路主要包括PWM整流器、直流环节、单相PWM逆变器。

PWM整流器是四象限变频器的重要组成部分，电能经过滤波电感流向直流侧，通过调整流入整流器电流和电压相位，可以改变高压变频器的功率因数。当电机工作在电动状态时，能量从电网流向直流侧。电机运行在发电状态时，能量从电机流向电网，实现能量回馈。

图1 高压变频器的功率单元电路拓扑图

图2 直接控制电流型PWM整流器结构图

直接控制电流型PWM整流器结构图如图2所示，整流器网侧电流幅值与相位的控制采用电压和电流双闭环来完成。为直流侧电压给定值，Udc为直流侧电压检测值，二者通过比较环节送入PI调节器，PI调节器输出为电流环给定。PWM整流器网侧输入电流经过

功率单元的直流环节由电容串联而成，并具有电阻均压电路。该环节对整流后的直流电压具有滤波和稳压作用，同时为后级负载提供无功能量。电容大小根据直流母线电压和装置容量而定。

单相PWM逆变单元是高压变频器功率单元重要组成部分，其作用是将直流电逆变成频率可调的交流电。在高压变频器中，器件开关频率一般不高，可以减少开关损耗。每相各个功率单元之间依次错开一定电角度，依据波形叠加的原理，获得所需的电压。单相PWM逆变器采用矢量控制方式，通过检测电机运行的电流和转速，完成闭环控制。

二、高压变频器硬件组成

葛店煤矿主井改造中，选用北京合康HIVERT-YVF10/040型高压变频器，其硬件组成主要包括：起动柜、变压器柜、功率单元柜。各个柜的作用如下：

（1）起动柜中配有起动电阻，可减小变频器上电对电网造成的冲击电流。

（2）变压器柜由隔离移相变压器、温度控制仪、输入电压和电流检测装置、保护回路等组成。隔离移相变压器即为功率单元提供相互错开一定电角度的电源。温控仪为变压器提供超温报警和过热跳闸保护。输入电压和电流检测的作用主要有两个：供柜体上指示设备的状态和为后级的整流器构成闭环运行提供参数。

（3）功率单元柜用于安装控制系统、功率单元和控制部件，是高压变频器实现功率变换的主要单元。它由下面几部分构成：控制器、人机界面、I/O接口板、功率单元、电抗器、控制变压器部件、电压检测板、输出电流霍尔元件、一次二次接线室等。其中控制器是高压变频器的中央单元，主要完成功率单元的控制、检测和故障保护以及与外部设备通信等功能。

三、高压变频器与电控系统接口电路

变频器与提升机电控系统的硬件接口电路是实现提升系统自动化的关键环节，本文采用的合康高压变频器具有丰富的硬件接口，其与提升机电控系统的部分接口电路如图3所示。图中的虚线框部分表示提升机电控系统，用来完成提升过程行程控制，故障保护与检测以及与监控中心通信等。在变频器端子排XT1中：端子1与8、3与8构成两组模拟输出频率，采用4-20MA电流表示，可以对外显示当前变频器输出频率。端子5与8、7与8构成两组模拟输出电流，可以对外输出当前变频器工作电流。端子9-25为数字量设定端子，实现对电机的正转、反转、急停、复位、多段速等功能。端子排XT2为变频器高压预备、故障输出以及变频器模拟量给定、反馈等信号。提升机电控系统一般采用高性能PLC对这些端口操作，完成提升工艺要求。

图3 合康高压变频器与提升机电控系统接口图

四、设备现场运行分析

绞车型号：2JK-3×1.2E 立井提升高度：261.8m

电机功率：710kW 滚筒直径：3m

提升速度（最大）：7.67m/s 变频器型号：HIVERT-YVF06/096

变频器容量：1 000kVA

高压变频器具有四象限运行功能，当提升机下放重物时，电机由电动状态过渡到发电状态，将能量馈送到电网侧，实现能量回馈。现场调试整流器工作在逆变状态下的电压和电流波形如图4所示。

图4 PWM整流器工作在逆变和整流状态波形图

在图4中，示波器通道1为整流器电源侧电压波形，通道2为整流器电源侧电流波形，从现场所测波形可以看出，整流器工作在有源逆变状态下，电压和电流相位差180°，实现能量的单位功率因数回馈。

提升上行时，能量由电网流向负载，通过控制整流器网侧电流和电压相位，使整个传动系统保持较高功率因数运行，整流器工作在整流状态下电压和电流波形如图4所示，流入整流器的电压和电流同相位，实现高功率因数运行。

从设备现场运行情况来看，采用高压变频器拖动提升系统，使得整机自动化程度得到提高，节能效果显著。

［1］陈宜东.高压变频器在矿井主提升机上的应用［J］.山西科技，2013（4）.

［2］张亮. AFE在高压变频器中的应用研究［D］.洛阳：河南科技大学，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

（责任编辑 王傲冰）

2015—03—20

董永刚（1979—），河北永年人，邢台职业技术学院电气工程系，讲师。