摘要：本文介紹了風(fēng)光牌高壓提升機" title="提升機">提升機變頻器在煤礦副井上的應(yīng)用情況，對節(jié)能效果進(jìn)行了分析,。由于礦井提升機" title="礦井提升機">礦井提升機對轉(zhuǎn)速精度及加減速度要求較高,，必須采用高精度變頻調(diào)速系統(tǒng)" title="調(diào)速系統(tǒng)">調(diào)速系統(tǒng),。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器 提升機 能量回饋
Abstract:The article introduces the application instances of FengGuang high inverter in mining hoist,and analyses the power-saving effect.High precision variable-frequency adjustable speed system should be adopted because mine hoist requires high-precision rotate speed and acceleration or deceleration.
Key Words: High inverter Mining hoist Energy feedback
1 引言
山西蘭花煤炭實業(yè)集團有限公司唐安煤礦,，是蘭花公司屬下一個前景廣闊的現(xiàn)代化礦井,。該分公司前身唐安煤礦,，始建于建國初期，組建蘭花集團前,，屬高平市市營煤礦?，F(xiàn)占地面積55萬平方米，井田面積29.95平方公里,，屬沁水煤田腹地,，地質(zhì)儲量3.39億噸，工業(yè)儲量2.23億噸,，可采儲量1.37億噸,。年生產(chǎn)能力150萬噸。
礦井提升機是煤礦的關(guān)鍵設(shè)備,，它肩負(fù)著井上井下的物體運輸 的重任。礦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礦物（如煤炭等）,，副井提升的主要作用是沿井筒提升矸石、下放材料,、升降人員或設(shè)備等,。礦井提升機在整個煤礦生產(chǎn)中占有重要的地位。因此,，要求礦井提升機拖動" title="拖動">拖動系統(tǒng)具有安全可靠,，運行高效且定位準(zhǔn)確的能力。
礦并提升機作為礦山最大的電氣設(shè)備之一,，其耗電量占礦山總耗電量的30%—40%,，并且運行特性復(fù)雜，速度快,，慣性大,，一旦提升機失去控制，不能按照給定速度運行,，就可能發(fā)且超速,、過卷等重大安全事故，造成設(shè)備損壞甚至人員傷亡,，給礦山帶來重大人事和財產(chǎn)損失,。因此礦井提升機的電控系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性直接影響煤礦的安全生產(chǎn)。
原副井提升機系統(tǒng)采用交流電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速,，由于該系統(tǒng)調(diào)速精度低,，可靠性差，維護(hù)費用大,，蘭花集團唐安煤礦領(lǐng)導(dǎo)通過考察國內(nèi)用戶現(xiàn)場使用提升機變頻器的情形后,，決定選用新風(fēng)光JD-BP37-280T型（280KW/6KV）高壓提升機變頻器,，對副井提升機系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)改造。
2原礦井提升機系統(tǒng)概述
2.1系統(tǒng)參數(shù)
2.1.1礦用提升機


2.1.2減速器

2.1.3三相異步電動機（江西電機廠）

2.2交流電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)
在加速過程中,，交流接觸器KM1,、KM2、KM3,、KM4逐級吸合,，轉(zhuǎn)子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變,。如果要求電動機低速運行,，則需在轉(zhuǎn)子回路串較大電阻。為了解決減速段的負(fù)力要求,，通常采用動力制動方案,，即將定子側(cè)的高壓電源切除，施加直流電壓,，或在定子繞組上施加低頻電源,，讓電動機工作在發(fā)電伏態(tài)。
這種拖動方案存在的問題是：
（1）開環(huán)有級調(diào)速,，加速度難以準(zhǔn)確控制,，調(diào)速精度差；
（2）觸點控制,，大量使用大容量開關(guān),，系統(tǒng)維護(hù)工作量大，可靠性差,；
（3）運行效率低,，在低速時大部分功率都消耗在電阻上；
（4）電機的機械特性偏軟,，一般電阻上消耗的功率約為電動機輸出功率的20%—30%,；（5）接觸器經(jīng)常吸合與斷開，噪音比較大,。
雖然這種調(diào)速方案控制方式簡單,、初期設(shè)備投資較低，但技術(shù)性能和運行效率低,，許多中小礦井的提升機仍采用該種調(diào)速方案,。

3高壓提升機變頻器系統(tǒng)原理
3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
JD-BP37系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由移相" title="移相">移相變壓器、功率單元和控制器組成,。6KV系列有18個功率單元,，每6個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。
3.2功率單元電路

每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致,，可以互換,，其主電路結(jié)構(gòu)有圖2所示,，為基本的交-直-交雙向逆變" title="逆變">逆變電路。圖中通過整流橋進(jìn)行三相全橋方式整流,，整流后的給濾波電容充電,，確定母線電壓，通過對逆變塊B中的IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制實現(xiàn)單相逆變,。當(dāng)電機進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后,，逆變塊B中的二極管完成續(xù)流外，又起全波整流,，使能量能夠轉(zhuǎn)移到濾波電容中,，結(jié)果母線電壓升高，達(dá)到一定程度后,，啟動逆變塊A,，進(jìn)行SPWM逆變，通過輸入電感,，返回到移相變壓器的次極,，通過變壓器將能量回饋到電網(wǎng)。
3.3輸入側(cè)結(jié)構(gòu)
本機中移相變壓器的副邊繞組分為三組,，構(gòu)成36脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形,，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1,，輸入電流諧波成分低。實測在90%-105%額定輸入電壓額定電流下,，輸入電流總相對諧波含量小于4%,。
另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性,，使每個功率單元的主回路相對獨立,，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù),。
3.4輸出側(cè)結(jié)構(gòu)
輸出側(cè)由每個單元的U,、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進(jìn)行重組,，可得到如圖3所示的階梯PWM波形,。這種波形正弦度好，dv/dt小,，可減少對電纜和電機的絕緣損壞,，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用,，可直接用于舊設(shè)備的改造,；同時,，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動,，減小了軸承和葉片的機械應(yīng)力,。

3.5控制器
控制器核心由高速32位數(shù)字信號處理器（DSP）運算來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機達(dá)到最優(yōu)的運行性能,。人機界面提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面,，同時可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。內(nèi)置PLC控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理,，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào),，可以和用戶現(xiàn)場靈活接口，滿足用戶的特殊需要,，增強了系統(tǒng)的靈活性,。
數(shù)字信號處理器（DSP）相對于模擬信號處理有很大的優(yōu)越性，表現(xiàn)在精度高,、靈活性大,、可靠性好、易于集成,、易于存儲等方面,。傳統(tǒng)的模擬信號處理技術(shù)正由全新的數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP）所代替。DSP是面向高速重復(fù)性數(shù)值運算密集型的實時處理,。高性能DSP不僅處理速度快,，而且可以無間斷的完成數(shù)據(jù)的實時輸入與輸出。DSP結(jié)構(gòu)相對單一,，普遍采用匯編編程,，其處理完成時間的可預(yù)測性要比結(jié)構(gòu)和指令復(fù)雜、依賴于編譯系統(tǒng)的普通微處理器強的多,。它可以單周期完成這些乘加并行操作,，而普通微處理器需要至少4個指令周期，因此在相同的指令周期和片內(nèi)指令緩沖條件下,，是普通微處理器運算速度的4倍以上,。
另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù),，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離,，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能,，并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器,，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場培訓(xùn),，增強了系統(tǒng)的可靠性,。
3.6 控制電源
控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下,，設(shè)備各點的波形與加高壓情況基本相似,，給整機可靠性、調(diào)試,、培訓(xùn)帶來了很大方便,。
系統(tǒng)采用三次諧波補償技術(shù)提高了電源電壓利用率，利用了調(diào)制信號預(yù)畸變技術(shù),，使電壓利用率近似于1,。系統(tǒng)還采用了先進(jìn)的載波移相技術(shù)，它的特點是單元輸出的基波相疊加,、諧波彼此相抵消,。所以串聯(lián)后的總輸出波形失真特別小。多個單元迭加后的理論輸出波形如圖4所示（圖中是六單元疊加）,。

3.7 基本控制功能及特點
3.7.1 直流制動
　　本提升機用變頻器,，直流制動對提升系統(tǒng)的安全運行起到重要作用，當(dāng)重車在中間停車時,，PLC檢測到停機信號后給控制器發(fā)出信號,，讓提升機由高速平滑地降到低速，然后由控制器發(fā)出直流制動信號,，使提升機停止,，待PLC檢測到機械制動起作用的信號后，PLC發(fā)出信號讓控制器去掉直流制動信號,，使提升機靠機械抱閘一類的裝置起作用。啟動時,，先對提升機施加一直流制動信號,，PLC檢測到機械抱閘信號后發(fā)出信號給控制器去掉直流制動信號，然后由控制器加上啟動電壓讓提升機開始轉(zhuǎn)動,。機械抱閘狀態(tài)一直在PLC的監(jiān)控下,，一旦機械抱閘打開，馬上給電機施加直流信號,，確保重車不下滑,。直流信號是以PWM方式向電機的某一繞組施加一定占空比的直流脈沖，使電機磁場維持在一恒定方向不變,，對運動中的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動力矩,。
3.7.2運行速度的控制
為了減少運行過程中的機械沖擊，在提升機啟動和停止過程中,，做到加速度連續(xù),，因不同的頻率,，對應(yīng)不同的加減速速率，在本裝置的控制中,，將不同頻率時的加減速速率規(guī)劃成一個表格,，運行中用查表的方法確定對應(yīng)頻率時的加減速速率，使提升機平滑運行,，減少機械沖擊,。
3.7.3自動限速保護(hù)
在運行到終點時，由限速開關(guān)給出減速信號,，PLC檢測到減速信號后發(fā)送給控制器,，由控制器啟動自動減速程序，使工作頻率按設(shè)定要求逐步變?yōu)榈退龠\行,。提升機帶有測速發(fā)電機,，當(dāng)測速發(fā)電機給出超速信號，PLC檢測該信號發(fā)送給控制器,，進(jìn)入自動減速運行,。
3.7.4再生能量處理

再生能量通過功率單元來處理，見圖5所示,。電機處于發(fā)電狀態(tài),，功率單元母線電壓Vbus升高，當(dāng)母線電壓超過電網(wǎng)電壓的1.1倍時,，CPU根據(jù)比較器和相位檢測的結(jié)果輸出六路SPWM波形,，使逆變塊A中的IGBT工作，通過輸入電感,，電動機的再生能量最后通過移相變壓器回饋到電網(wǎng),，裝置充分利用了移相變壓器對諧波的抵消作用，具有對電網(wǎng)無諧波污染,、功率因數(shù)高,、控制簡單、損耗小,返回到電網(wǎng)諧波小于5%,。
注：1 對高壓變頻器而言,，輸入電流諧波和輸出電壓諧波是關(guān)鍵指標(biāo)，這兩項指標(biāo)經(jīng)國家權(quán)威部門的檢測,，均達(dá)到國標(biāo)GB/14549-93和國際IEEEStd519-1992的標(biāo)準(zhǔn),。
2 國家權(quán)威部門的檢測共有17項，全部合格,，檢測日期是2002年11月,。
3 國家權(quán)威部門天津發(fā)配電及電控設(shè)備檢測所和國家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心。
4現(xiàn)場試驗情況及運行性能
4.1負(fù)載特性試驗
由于副井絞車提升負(fù)載情況比較復(fù)雜，因此,，在調(diào)速階段進(jìn)行了多種試驗,，以檢驗變頻器的性能。
4.1.1爬行速度試驗
全程速度為0.25m/s,，運行平穩(wěn),。
4.1.2提升常規(guī)物料試驗（如沙子、水泥,、矸石）
全速提升或下放,，起車加速階段、等速,、減速,、爬行各階段運行良好。
4.1.3提升人員運行試驗全速提升或下放
在起車加速,、勻速,、減速、爬行等各階段運行良好,。人員在罐籠內(nèi)乘坐時,，加、減速階段重力增加和失重的感覺幾乎沒有,，速度控制的各個階段運行感覺較為平穩(wěn),。
4.1.4重載試驗
（1）上提：試驗低速爬行的拖動能力。負(fù)載在井口時上提爬行速度約為0.15m/s,；下放到井底后再次上提（重物在井底又增加了168×2米鋼絲繩約1噸重）,，采用合適的低頻補償量后正常起動，爬行速度約為0.15m/s,。重物上提全程運行時間由通常負(fù)載的54s增加65s,，原因是低速爬行速度在重載條件下，爬行速度有所下降（由0.25m/s降為0.15m/s）,，造成了運行時間比常規(guī)提升重量狀態(tài)下運行時間有所增加,。重物上提速度為5.77m/s（頻率為50.3Hz）；下放速度為5.88m/s（頻率為49.92Hz）,。
（2）下放：低速爬行、加速,、勻速,、減速整個過程很正常，符合要求,。
重載提升（下放）試驗證明,，變頻拖動系統(tǒng)提升力矩可滿足系統(tǒng)設(shè)計提升力矩要求。
4.2運行性能
（1）電流為雙向流動。
（2）抗擾性能強,。在提升機的加,、減速階段，直流電源電壓的最大動態(tài)降落或電壓超調(diào)不超過10%,，擾動恢復(fù)時間不超過1秒,。
（3）靜態(tài)功率因數(shù)穩(wěn)定，小于5%,。
（4）交流側(cè)諧波電流小,，符合IEEE519規(guī)定，小于4%,。
（5）變頻器在啟動過程中,，啟動電流小于1.3倍額定電流。
5結(jié)論
蘭花集團唐安煤礦副井采用我公司生產(chǎn)的高壓提升機變頻器調(diào)速以后,，調(diào)速精度高,，噪聲污染消失，操作也方便,，深受現(xiàn)場操作工的歡迎,；更重要的是絞車運行可靠，而且節(jié)電效果顯著,，具有非常明顯的經(jīng)濟效益和社會效益,。
作者簡介：
張文勇 男 技術(shù)支持工程師，供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司,。
常志恒 男 工程師 供職于蘭花集團唐安煤礦機電科,，長期從事煤礦機電設(shè)備的研究與維護(hù)工作。
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