高压变频调速器在煤矿提升系统中的应用

李海斌

(大同煤矿集团公司煤峪口矿)



高压变频调速器在煤矿提升系统中的应用

李海斌

(大同煤矿集团公司煤峪口矿)

摘要很多矿井提升机系统在运行过程中存在电流冲击大等问题，严重影响了矿井的正常生产。以某矿提升机系统为例，分析了提升机系统存在的问题，通过高压变频调速器对其进行改造，改造后系统整体稳定、可靠，没有出现比较大的故障，较好实现了软启动和软停止，节能效果显著，投资和维护费用低,具有较好的推广价值。

关键词高压变频调速器矿井提升机优化改造

目前，我国提升机绞车多采用绕线式异步电动机驱动方式，通过转子串电阻实现调速，即有级调速[1]。这种调速方式存在较多的问题，低速运转时，转矩较小，需要较大的转差功率，启动或换挡时会产生较大的电流冲击；中高速运转时会产生严重的振动问题，制动过程存在安全隐患且性能可靠性差，无法有效处理再生能量；在减速直至停止阶段，“过卷”问题频繁发生[2]，而且容易出现故障，运行效率较低。因此，急需对此类提升系统进行改造。

1高压变频调速器构成

JDBP37型高压提升变频器实现了全数字化，通过彩色液晶触摸屏进行控制，以IGBT为主控器件[3]，性能优越。提升机在四象限运行过程中，通过先进的矢量控制变频调速技术实现对绕线式转子串电阻电机的控制[4]。

1.1系统结构

该高压提升变频调速器是通过若干低压逆变器功率单元实现直接高压输出，这些低压逆变器功率单元采用串联方式。提升机采用6 kV高压提升变频器，其中，变压器包括18组付边绕组，每相包括6个功率单元，共三相。高压提升变频调速器系统结构见图1。

1.2功率单元结构

各功率单元在结构上完全一致，因而可互相替换，其主电路结构见图2。整流桥采用三相全桥式，整流工作完成后，对滤波电容进行充电，测出母线电压，为更好实现单相逆变，应采用正弦PWM对IGBT逆变桥进行控制。若电机发电，逆变块B中的二极管不仅具有续流作用，还具有整流作用，从而实现能量往电容中的转移，使得母线电压增高，当电压增加至某一定值后，逆变块A自行启动，实现SPWM逆变，回归到移相变压器的次极，这是通过电感输入实现的，而后进行能量回归电网工作，这是通过变压器实现的。

图1　高压提升变频调速器系统结构

图2　功率单元主电路结构

1.3输入侧结构

输入侧是通过移相变压器对每个单元供电，各功率单元均具有相同的电机电流，电压均为1/6相电压，功率均为1/18输出功率。各单元各有一套独立的三相输入绕组，且相互绝缘，变压器二次绕组之间也具有这一特性。为实现多重化，有效减少输入电流中的谐波，二次绕组采用延边三角形连接方式。

1.4输出侧结构

输出侧是通过各单元的U、V输出端子来实现电机供电，其中，各输出端子采用串接式星型接法。输出端子实现对各单元PWM波形的重组，以获得阶梯PWM波形。这种波形具有正弦度好的特点，变化速率小，可大大降低对电缆和电机造成的绝缘损坏，满足电机在额定电压下的运转[5]。此外，可极大地减少因电机谐波而造成的电耗，避免了机械振动问题，也大大减少了某些部位的机械应力，如轴承和叶片等处。

1.5控制器

控制器核心主要由以下两部分组成：高速DSP和工控PC机。二者的协同运算实现了控制器核心的功能，这一算法是专门针对本矿提升机系统而设计的，可使电机在运行过程中达到最优化效果。工控PC机还包括监控和操作界面等功能，这样既可更好进行远程监控，又可实现网络化操作。控制器的主要功能是对柜体内的开关信号进行逻辑处理，同时还能够实现与现场各种信号的协调，这使得系统具有很好的灵活性。

2高压变频调速器主要技术性能

(1)采用高-高电压源型变频器，可不需其他变压器或滤波器，这在普通高压电动机中应用较为广泛，且对电机、电缆绝缘，不会产生任何不良影响。

(2)输入的功率具有因数高的特点，电流具有较小的谐波，不需要对功率进行补偿，也不需要对谐波进行抑制。

(3)由于单元电路采用模块化设计，具有维护简单的特点，且具有较强的互换性。

(4)可提供较大的转矩，一般会大于2倍启动转矩。

3高压变频调速系统基本控制性能

3.1直流制动

若重车出现停车情况，PLC会检测到停机信号并发送至控制器，通过控制器实现提升机的平稳降速，进而停止；若PLC接收到机械振动信号后，就会向控制器发出相应的控制信号，实现直流制动信号的消除。启动之前，需给提升机发送一直流制动信号，若PLC接收到这一信号，就会给控制器发出相应的信号，而后在启动电压的作用下实现提升机的启动。

3.2运行速度控制

为实现提升机运行过程中的无机械冲击问题，应保证提升机在开停过程中的加速度连续，同时还应保证各频率均有相对应的加减速速率。在高压变频调速系统运行过程中，检测到不同频率所对应的加减速速率，并将其制作成一个表格，在系统运行中可通过此表格来确定各频率所对应的加减速速率，这样可保证提升机的平稳运行，有效避免机械冲击。

3.3自动限速保护

在提升机接近终点时，通过限速开关发出减速信号，PLC会接收到这一信号并发送至控制器，控制器自动开启减速程序，进而实现由高速运行到低速运行的转变。提升机上安设了测速发电机，若其发出超速信号，PLC会接收到信号并传送至控制器，进而实现提升机的减速。

3.4再生能量处理

功率单元可有效处理再生能量。如图3所示，电机发电，功率单元母线电压Vbus在不断增加，若母线电压大于电网电压的1.1倍，CPU就会输出六路的SPWM波形，这一工作是根据比较器和相位检测的结果实现的，接着逆变块A中的IGBT就会进入工作状态，在输入电感的作用下，通过移相变压器实现再生能量向电网回馈的过程。

图3　单元控制框

4应用效果

(1)改造后的变频系统不再采用交流接触器和调速电阻，大大提高了系统的稳定性和运行的可靠性，给工作人员的操作创造了良好的工作环境，减小了噪音，降低了室内温度。

(2)实现了连续调速，连续平稳调节的目的。低频低压情况下的软启动和软停止功能增强，使得提升机平稳运行，避免了机械冲击。

(3)在载荷条件下，提升机可由低速平稳实现高速转变，在此过程中，没有出现较大的电流，从而大大降低了对电网的冲击程度。

(4)电耗量低，节能效果良好；设备投资少，维护成本低。

5结论

通过矿山提升机变频调速系统的改造，实现了提升系统安全稳定的运行，改善了工作人员的作业环境，且设备投资少，维护成本低，节能效果显著；高压变频调速技术及装置会得到充分发展，在更多领域会有更广阔的应用前景。

参考文献

[1]王清灵,龚幼民.现代矿井提升机电控系统[M].北京:机械工业出版社,1996.

[2]沈安文，万淑芸,王离九,等.双PWM交流传动系统中主电路储能元件设计[J].华中理工大学学报,1999,27(7):23-25.

[3]陈伯时.高性能的通用变频器[J].变频器世界，2004(6):51-54.

[4]黄仰金.矿山副井提升机计算机控制系统的设计及应用[D].长沙：中南大学，2004.

[5]周建荣,平静.ABB矿井提升机控制系统及应用[J].工程设计CAD及自动化,1995(6):40-41.

李海斌(1975—)，男，工程师,037041 山西省大同市。