1 引言 煤礦提升絞車通常采用繞線式電動機作為主驅動，用于提升或下降重物，具有典型的位能負載特性，是煤礦的通用設備。 （1） 由于啟動及調速等方面的需要，通常都是在線繞式電動機的轉子回路串接電阻，來改變電機的輸出轉矩，從而降低電機啟動電流，以實現(xiàn)小范圍的轉差變速，去適應負載的突變持性。并實現(xiàn)電動機的分級調整。這種控制方式帶來如下弊端:轉子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費; （2） 電阻分級切換，實現(xiàn)有級調速，設備運行不平穩(wěn)，引起電氣及機械沖擊。低速轉矩小，轉差功率大，啟動電流和換檔電流沖擊大，中高速運行振動大，制動不安全不可靠，對再生能量處理不力，斜井提升機運行中調速不連續(xù)，容易掉道，故障率高。礦用生產(chǎn)是24h連續(xù)作業(yè)，即使短時間的停機維修也會給生產(chǎn)帶來很大損失; （3） 再生發(fā)電時，機械能回饋電網(wǎng)，造成電網(wǎng)功率因數(shù)低。尤其在供電饋線較長的應用場合，會加大變壓器、供電線路等方面的投資; （4） 接觸器頻繁投切，電弧燒傷觸點，影響接觸器的使用壽命，設備維修成本較高; （5） 繞線電動機滑環(huán)存在的接觸不良問題，容易引起設備的事故。 隨著交流電動機變頻調速器的應用和普及，人們已開始淘汰繞線式電動機轉子回路串電阻調速這一落后的調速方式，采用先進的變頻調速技術取而代之，實現(xiàn)了提升機械的平滑調速和節(jié)能運行，并將電網(wǎng)側功率因素提高到0.95以上，同時省去了調速接觸器、正反轉接觸器等元件，完全解決了傳統(tǒng)提升機械存在的固有缺陷，使設備性能得到極大提高。 2 位能負載的調速特性 提升機械用于提升或下降位能負載，無論是過平衡或欠平衡配置，必然存在電動和再生發(fā)電兩個工作區(qū)，其調速特性如圖1和圖2所示。 [align=center] 圖1 轉子回路串電阻的調速特性 圖2 交流變頻調速特性[/align] 如圖1所示，繞線式電動機轉子回路串接電阻調速時，通過電阻的分級切換和正反轉接觸器切換，實現(xiàn)有級調速和正反轉控制。其中，工作點1和工作點2為電動狀態(tài)，工作點3為能耗制動狀態(tài)，工作點4為再生發(fā)電機狀態(tài)。 變頻調速特性為一組平行的曲線，由于變頻器的頻率連續(xù)可調，因而能夠實現(xiàn)平滑無級調速。圖2中1區(qū)為電動區(qū)，2區(qū)為再生發(fā)電區(qū)，電能回饋至變頻器的直流側，通過制動組件泄放。 3 礦用提升機變頻調速系統(tǒng)的工作原理 礦用提升機變頻調速系統(tǒng)的原理如圖3所示，該設備為交－直－交電壓型變頻調速系統(tǒng)。 [align=center] 圖3 礦用提升機變頻調速系統(tǒng)原理圖[/align] 該系統(tǒng)的運行過程主要分為兩個過程。 （1） 絞車電機作為電動機的過程，即正常的逆變過程。該過程主要由整流、濾波和正常逆變三大部分組成。其中正常逆變過程是其核心部分，它改變電機定子的供電頻率，從而改變輸出電壓，起到調速作用; （2） 絞車電機作為發(fā)電機的過程，即能量回饋過程。該過程主要由整流、回饋逆變和輸出濾波三部分組成。其中該部分的整流是由正常逆變部分中IGBT的續(xù)流二極管完成。電解電容的主要作用是為回饋逆變部分提供一個穩(wěn)定的電壓源，保證逆變部分運行更可靠。回饋逆變部分是整個回饋過程的核心部分，變頻器對輸入電源的相位、電網(wǎng)電壓波動幅值進行實時檢測，實現(xiàn)回饋逆變輸出電壓相位與電網(wǎng)電壓相位的一致。為保證逆變的正常工作以及減少對電網(wǎng)的污染，設有EMC輸出濾波部分，使回饋的能量保持平滑性，避免回饋能量對電網(wǎng)的騷擾作用。 采用變頻調速實現(xiàn)了軟啟動、軟停車，減少了機械沖擊，使運行更加平穩(wěn)可靠。起動及加速換擋時沖擊電流很小，減輕了對電網(wǎng)的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動強度。運行速度曲線成S形，低速力矩可達200%，使加減速平滑、無撞擊感。安全保護功能齊全，除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護外，還設有連鎖保護、自動限速保護功能等。設有直流制動、能耗制動、及回饋制動等多種選擇制動方式，更安全、更可靠。該系統(tǒng)四象限運行，回饋能量直接回電網(wǎng)，且不受回饋能量大小的限制，回饋的能量通過EMC濾波器，有效控制了回饋時的諧波含量。 4 提升機變頻調速改造 4.1 工頻/變頻切換系統(tǒng)的改造 為確保安全可靠，保留原調速系統(tǒng)，隨時工/變頻的可切換，同時為了讓操作者不改變操作習慣，工/變頻系統(tǒng)都用原操作機構（可自動或手動切換選擇切換方式）操作。 4.2 變頻器的容量選擇 電動機的額定值選定后，應選擇相應的變頻器容量。為了充分發(fā)揮電動機的負載能力，提高起重設備的安全性能，采用佳靈牌專用提升變頻器進行控制。該變頻器使電動機系統(tǒng)具有2倍的過載能力（200%,1min）。由于普通變頻器的過載能力一般為150%,1min，瞬態(tài)過載力矩只能達到150%～180%，因此必須提高所適配的變頻器容量，以便提高變頻器與電動機系統(tǒng)的低速力矩和瞬時200～300%的力矩。 由上述可知，只要把變頻器的容量提高20%左右，即可使變頻器/電動機系統(tǒng)的瞬時過載能力提高到2.0～2.4倍，過載保護仍按電機容量設定就能滿足要求。因此應選擇變頻器額定容量為電動機額定容量的120%以上，即把變頻器的容量提高一個等級。本系統(tǒng)使用155kW的電動機，配置佳靈牌JP6C-200kW變頻器，采用提升特性專用控制軟件，具有良好的性價比。 4.3 制動組件的選用 如圖4所示，再生發(fā)電時機械能被轉換成電能，回饋到變頻器直流側的電容器上，其結果使直流回路的電壓升高，當電壓升高到某一設定值（如750V），制動單元自動控制放電用開關管導通，電能向制動電阻上泄放。制動單元動作后，泄放的能量大于回饋能量，直流回路的電壓開始下降，當它下降到某一設定值（如630V），則制動單元自動控制放電用開關管關閉，停止放電。這一充電與放電過程由變頻器和制動組件自動完成，維持直流回路電壓在一個安全的范圍之內。 [align=center] 圖4 變頻系統(tǒng)示意圖[/align] 由上述可知，選擇制動組件的基本原則是:制動組件的最大瞬時放電能力大于或等于最大瞬時回饋能量。制動組件的平均放電能量大于平均回饋能量。 通常，制動組件的最大瞬時放電能力由其放電開關管的額定電流所決定，而平均放電能力則取決于制動電阻的額定功率大小。煤礦提升機的變頻調速改造選用佳靈牌制動單元，按變頻器容量由廠家匹配，系統(tǒng)的一致性強維修也方便。 4.4 調速控制方法 采用變頻調速控制的提升機械仍可使用傳統(tǒng)的速度控制方法，如礦井提升的速度控制，仍可使用傳統(tǒng)的凸輪控制器，不同的檔位給出了上升或下降方向指令和多級速度指令，輸入到變頻器的控制端，實現(xiàn)方向控制和調速。現(xiàn)在已經(jīng)有提升變頻專用控制器推出，應用它可以簡化控制系統(tǒng)設計，減少故障點。變頻調速器還可提供更為先進的閉環(huán)控制方法，如配合工藝實現(xiàn)提升和下降的不同速度運行等。 5 結束語 鑒于煤礦的生產(chǎn)分地面和井下防爆環(huán)境，其工業(yè)化、連續(xù)性要求特別高。提升機（絞車）用的佳靈牌回饋型變頻器已在山西黃聯(lián)煤礦成功運行，提升機（絞車）用的能耗型變頻器亦在四川芙蓉煤礦成功運行，并有多臺在井下防爆型變頻器用于絞車、提升機。佳靈牌提升機專用變頻器對礦用絞車和提升機、大坡度皮帶機的安全運行及節(jié)能改造確實起到了決定的作用，應用效果較好。 位能負載條件下的變頻調速系統(tǒng)設計必須以實際負載情況為依據(jù)，才能達到節(jié)省投資的目的。如何使電動機、變頻器、制動組件的合理匹配是系統(tǒng)要良好運行的關鍵。礦用絞車繞線電機改用變頻調速方式后，系統(tǒng)具有一定的節(jié)電效果，更重要的是具有柔性化控制，使系統(tǒng)的性能大大提高和機械部份壽命延長，使用變頻調速也有良好的節(jié)能效果。