浅谈高压提升机变频器在煤矿副井上的应用

1引言

山西兰花煤炭实业集团有限公司唐安煤矿，是兰花公司属下一个前景广阔的现代化矿井。该分公司前身唐安煤矿，始建于建国初期，组建兰花集团前，属高平市市营煤矿。现占地面积55万平方米，井田面积29.95平方公里，属沁水煤田腹地，地质储量3.39亿吨，工业储量2.23亿吨，可采储量1.37亿吨。年生产能力150万吨。

矿井提升机是煤矿的关键设备，它肩负着井上井下的物体运输的重任。是一种大型提升机械设备。由电机带动机械设备，以带动钢丝绳从而带动容器在井筒中升降，完成输送任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。现代的矿井提升机提升量大，速度高，安全性高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。矿井提升有主井提升和副井提升之分，主引提升的作用是沿井筒提升有益矿物（如煤炭等），矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒（或摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动。按提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。副井提升的主要作用是沿井筒提升矸石、下放材料、升降人员或设备等。矿井提升机在整个煤矿生产中占有重要的地位。

矿并提升机作为矿山最大的电气设备之一，其耗电量占矿山总耗电量的30%—40%，并且运行特性复杂，速度快，惯性大，一旦提升机失去控制，不能按照给定速度运行，就可能发且超速、过卷等重大安全事故，造成设备损坏甚至人员伤亡，给矿山带来重大人事和财产损失。

原副井提升机系统采用交流电动机转子回路串电阻调速，由于该系统调速精度低，可靠性差，维护费用大，兰花集团唐安煤矿领导通过考察国内用户现场使用提升机变频器的情形后，决定选用新风光JD-BP37-280T型（280KW/6KV）高压提升机变频器，对副井提升机系统进行系统改造。交流电动机，是将电能转变为机械能的一种机器。交流电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。交流电动机由定子和转子组成，并且定子和转子是采用同一电源，所以定子和转子中电流的方向变化总是同步的，即线圈中的电流方向变了，同时电磁铁中的电流方向也变，根据左手定则，线圈所受磁力方向不变，线圈能继续转下去。交流发动机就是利用这个原理而工作的。

2原矿井提升机系统概述

2.1系统参数

2.1.1矿用提升机



2.1.2减速器



2.1.3三相异步电动机



2.2交流电动机转子回路串电阻调速系统

在加速过程中，交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4逐级吸合，转子回路电阻依次减小，以保证加速力矩的平均值不变。如果要求电动机低速运行，则需在转子回路串较大电阻。为了解决减速段的负力要求，通常采用动力制动方案，即将定子侧的高压电源切除，施加直流电压，或在定子绕组上施加低频电源，让电动机工作在发电伏态。交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于触头系统是与动铁芯联动的，因此动铁芯带动三条动触片同时运行，触点闭合，从而接通电源。当线圈断电时，吸力消失，动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离，使主触头断开，切断电源。

这种拖动方案存在的问题是：

（1）开环有级调速，加速度难以准确控制，调速精度差；

（2）触点控制，大量使用大容量开关，系统维护工作量大，可靠性差；

（3）运行效率低，在低速时大部分功率都消耗在电阻上；

（4）电机的机械特性偏软，一般电阻上消耗的功率约为电动机输出功率的20%—30%；

（5）接触器经常吸合与断开，噪音比较大。虽然这种调速方案控制方式简单、初期设备投资较低，但技术性能和运行效率低，许多中小矿井的提升机仍采用该种调速方案。


图1 转子回路串电阻调速系统

3高压提升机变频器系统原理

3.1系统结构

JD-BP37系列高压变频调速系统的结构由移相变压器、功率单元和控制器组成。6KV系列有18个功率单元，每6个功率单元串联构成一相。

3.2功率单元电路


图2 功率单元电路

每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其主电路结构有图2所示，为基本的交-直-交双向逆变电路。图中通过整流桥进行三相全桥方式整流，整流后的给滤波电容充电，确定母线电压，通过对逆变块B中的IGBT逆变桥进行正弦PWM控制实现单相逆变。当电机进入发电状态后，逆变块B中的二极管完成续流外，又起全波整流，使能量能够转移到滤波电容中，结果母线电压升高，达到一定程度后，启动逆变块A，进行SPWM逆变，通过输入电感，返回到移相变压器的次极，通过变压器将能量回馈到电网。SPWM（Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

3.3输入侧结构

本机中移相变压器的副边绕组分为三组，构成36脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1，输入电流谐波成分低。实测在90%-105%额定输入电压额定电流下，输入电流总相对谐波含量小于4%.

另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。

3.4输出侧结构

输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图3所示的阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。


图3 变频器输出的线电压阶梯PWM波形

3.5控制器

控制器是按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。控制器是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR（InstructionRegister）、程序计数器PC（ProgramCounter）和操作控制器0C（OperationController）三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。[page]

控制器核心由高速32位数字信号处理器（DSP）运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。人机界面提供友好的全中文WINDOWS监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。内置PLC控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊需要，增强了系统的灵活性。

数字信号处理器（DSP）相对于模拟信号处理有很大的优越性，表现在精度高、灵活性大、可靠性好、易于集成、易于存储等方面。传数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。高性能DSP不仅处理速度快，而且可以无间断的完成数据的实时输入与输出。DSP结构相对单一，普遍采用汇编编程，其处理完成时间的可预测性要比结构和指令复杂、依赖于编译系统的普通微处理器强的多。

另外，控制器与功率单元之间采用多通道光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，并且各个功率单元的控制电源采用一个独立于高压系统的统一控制器，方便调试、维修、现场培训，增强了系统的可靠性。

3.6控制电源

控制器有一套独立于高压电源的供电体系，在不加高压的情况下，设备各点的波形与加高压情况基本相似，给整机可靠性、调试、培训带来了很大方便。

系统采用三次谐波补偿技术提高了电源电压利用率，利用了调制信号预畸变技术，使电压利用率近似于1.系统还采用了先进的载波移相技术，它的特点是单元输出的基波相叠加、谐波彼此相抵消。所以串联后的总输出波形失真特别小。多个单元迭加后的理论输出波形如图4所示（图中是六单元叠加）。


图4 6个单元输出叠加后的波形

3.7基本控制功能及特点

3.7.1直流制动

本提升机用变频器，直流制动对提升系统的安全运行起到重要作用，当重车在中间停车时，PLC检测到停机信号后给控制器发出信号，让提升机由高速平滑地降到低速，然后由控制器发出直流制动信号，使提升机停止，待PLC检测到机械制动起作用的信号后，PLC发出信号让控制器去掉直流制动信号，使提升机靠机械抱闸一类的装置起作用。启动时，先对提升机施加一直流制动信号，PLC检测到机械抱闸信号后发出信号给控制器去掉直流制动信号，然后由控制器加上启动电压让提升机开始转动。

3.7.2运行速度的控制

为了减少运行过程中的机械冲击，在提升机启动和停止过程中，做到加速度连续，因不同的频率，对应不同的加减速速率，在本装置的控制中，将不同频率时的加减速速率规划成一个表格，运行中用查表的方法确定对应频率时的加减速速率，使提升机平滑运行，减少机械冲击。

3.7.3自动限速保护

在运行到终点时，由限速开关给出减速信号，PLC检测到减速信号后发送给控制器，由控制器启动自动减速程序，使工作频率按设定要求逐步变为低速运行。提升机带有测速发电机，当测速发电机给出超速信号，PLC检测该信号发送给控制器，进入自动减速运行。PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。也是公共有限公司、电源线车等的名称缩写。可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。

3.7.4再生能量处理


图5 再生能量处理示意图

再生能量通过功率单元来处理，见图5所示。电机处于发电状态，功率单元母线电压Vbus升高，当母线电压超过电网电压的1.1倍时，CPU根据比较器和相位检测的结果输出六路SPWM波形，使逆变块A中的IGBT工作，通过输入电感，电动机的再生能量最后通过移相变压器回馈到电网，装置充分利用了移相变压器对谐波的抵消作用，具有对电网无谐波污染、功率因数高、控制简单、损耗小，返回到电网谐波小于5%.比较器是对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序称为比较。能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器。比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。

注：1对高压变频器而言，输入电流谐波和输出电压谐波是关键指标，这两项指标经国家权威部门的检测，均达到国标GB/14549-93和国际IEEEStd519-1992的标准。

2国家权威部门的检测共有17项，全部合格，检测日期是2002年11月。

3国家权威部门天津发配电及电控设备检测所和国家电控配电设备质量监督检验中心。

4现场试验情况及运行性能

4.1负载特性试验

由于副井绞车提升负载情况比较复杂，因此，在调速阶段进行了多种试验，以检验变频器的性能。

4.1.1爬行速度试验

全程速度为0.25m/s，运行平稳。

4.1.2提升常规物料试验

全速提升或下放，起车加速阶段、等速、减速、爬行各阶段运行良好。

4.1.3提升人员运行试验全速提升或下放

在起车加速、匀速、减速、爬行等各阶段运行良好。人员在罐笼内乘坐时，加、减速阶段重力增加和失重的感觉几乎没有，速度控制的各个阶段运行感觉较为平稳。

4.1.4重载试验

（1）上提：试验低速爬行的拖动能力。负载在井口时上提爬行速度约为0.15m/s；下放到井底后再次上提（重物在井底又增加了168×2米钢丝绳约1吨重），采用合适的低频补偿量后正常起动，爬行速度约为0.15m/s.重物上提全程运行时间由通常负载的54s增加65s，原因是低速爬行速度在重载条件下，爬行速度有所下降（由0.25m/s降为0.15m/s），造成了运行时间比常规提升重量状态下运行时间有所增加。重物上提速度为5.77m/s（频率为50.3Hz）；下放速度为5.88m/s（频率为49.92Hz）。

（2）下放：低速爬行、加速、匀速、减速整个过程很正常，符合要求。

重载提升（下放）试验证明，变频拖动系统提升力矩可满足系统设计提升力矩要求。

4.2运行性能

（1）电流为双向流动。

（2）抗扰性能强。在提升机的加、减速阶段，直流电源电压的最大动态降落或电压超调不超过10%，扰动恢复时间不超过1秒。

（3）静态功率因数稳定，小于5%.

（4）交流侧谐波电流小，符合IEEE519规定，小于4%.

（5）变频器在启动过程中，启动电流小于1.3倍额定电流。

5结论

兰花集团唐安煤矿副井采用我公司生产的高压提升机变频器调速以后，调速精度高，噪声污染消失，操作也方便，深受现场操作工的欢迎；更重要的是绞车运行可靠，而且节电效果显着，具有非常明显的经济效益和社会效益。