摘要：本文介紹了高壓變頻器在礦山提升機上的應用情況。對原礦山提升機系統作簡要介紹，并對高壓提升變頻調速系統作了論述，運行效果表明改造是成功的。 關鍵詞：高壓變頻提升調速系統 礦山提升機 能量回饋 1. 引言 礦山提升機是礦山生產的至關重要的大型設備，對礦井的生產及安全起著非常重要的作用，因此，它的電氣傳動及控制裝置一直是各國傳動界的一個重要研究領域。傳統大多數礦井提升機采用繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻的交流調速系統，當前投產的大、中型礦井的提升機多數采用磁場換向的晶閘管直流可逆調速系統。而采用全數字變頻調速技術的現代交流調速系統代表礦井提升機技術的先進水平。 2. 原礦山提升機調速系統簡介 河北邯鄲峰峰礦業集團公司是國家大型企業，全國煤炭百強企業。集團公司新三礦原有一礦井提升機，該提升機絞車采用線繞式異步電動機，用轉子串電阻的方法調速。這種系統屬于有級調速，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，低速運行到終點時易出現“過卷”現象，故障率高，運行效率低等缺點，礦用生產是24小時連續作業，即使短時間的停機維修也會給生產帶來很大損失。集團公司領導下決心對該提升機電控系統進行改造，而焦作華飛公司是中國最大的礦用提升機電控生產基地，技術力量雄厚。基于此，選用了華飛公司生產的變頻提升機電控系統。我們根據華飛公司和新三礦的要求，研制出了高壓提升機專用變頻器，填補了國內高壓提升機方面的空白。 由于提升類負載對變頻器有著不少特殊的要求，所以一般普通變頻器不可能直接用到提升機上。提升機對變頻器要求有以下主要特點： （1）要求可靠性高 （2）要求能實現四象限運行，解決能量回饋 （3）要求有完善的數字控制功能 （4）技術指標要求高（例如啟動轉矩2倍以上，150%額定電流以下連續運行，200%額定電流一分鐘保護） （5）要求適應惡劣的使用環境 （6）要求標準的數字通信接口 （7）運行速度曲線成S形，加減速平滑 原礦山提升機絞車電機有關參數： 型號 JR158-8 功率 380KW 電流 47A 電壓 6000V 轉速 735r/min 3.新風光電子公司JD-BP37型高壓提升變頻調速器 我們山東新風光電子科技發展有限公司根據與用戶的協議，為該提升機絞車配備了我公司生產的JD-BP37-400T（400KW）高壓提升變頻調速器。以下是對JD-BP37型高壓提升變頻調速器的一些介紹。 3.1 JD-BP37型高壓提升變頻調速器簡介 JD-BP37型高壓提升變頻調速器采用最新型IGBT為主控器件，全數字化，彩色液晶觸摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能為設計目標的優質變頻調速器，采用先進的矢量控制變頻調速技術完成提升機的四象限運行，用于鼠籠式電機或繞線式轉子串電阻電機控制，即可用于新礦井安裝，也可用于老礦井改造。 風光高壓提升變頻器，采用若干個低壓逆變器功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，所用的6kv高壓提升變頻器，變壓器有18組付邊繞組，分為6個功率單元∕相，三相共18個單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分滿足國標規定 ，高壓提升變頻器系統結構如圖1所示。 [align=center] 圖1 高壓提升變頻器系統結構圖[/align] JD-BP37型高壓提升變頻調速系統由移相變壓器、功率單元和控制器組成。 3.2功率單元電路 每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其主電路結構如圖2示，為基本的交-直-交雙向逆變電路，通過整流橋進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逆變橋進行正弦PWM控制實現單相逆變。當電機進入發電狀態后，逆變塊B中的二極管完成續流外，又起全波整流，使能量能夠轉移到濾波電容中，結果母線電壓升高，達到一定程度后，啟動逆變塊A，進行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。 [align=center] 圖2功率單元電路結構[/align] 3.3輸入側結構 輸入側由移相變壓器給每個單元供電，每個功率單元都承受電機電流、1/6的相電壓、1/18的輸出功率。18個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實現多重化，降低輸入電流的諧波成分。 3.4輸出側結構 輸出側由每個單元的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，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；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力。 [align=center] 圖3 變頻器輸出的相電壓階梯PWM波形[/align] 3.5控制器 控制器核心由高速DSP和工控PC機協同運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，增強了系統的靈活性。 4. JD-BP37型高壓提升變頻調速器主要技術性能 4.1高——高電壓源型變頻器，直接6KV輸入，直接6KV輸出， 無須任何輸出變壓器或濾波器，適配于普通高壓電動機，對電機、電纜絕緣無損害。 4.2 輸入功率因數高，電流諧波小，無須功率因數補償、諧波抑制裝置。 4.3 單元電路模塊化設計，維護簡單，互換性好。 4.4 輸出階梯正弦PWM波形。 4.5 可提供2倍以上的啟動轉矩。 4.6可提供直流制動、回饋制動等多種制動方式。 4.7可滿足電動機的四象限工作要求。 4.8高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強弱電隔離，安全可靠。 4.9 完善的故障檢測，精確的故障保護及準確的定位顯示和報警。 4.10內置PLC，易于改變控制邏輯關系，可靈活選擇現場控制/遠程控制，適應現場多變需求。 4.11 采用載波移相控制技術，大大抑制了輸出電壓的諧波成分，保證輸出波形是完美正弦波。 4.12 控制電源與高壓電相互獨立，無高壓可以檢測變頻器輸出，便于現場調試以及培訓操作人員，便于維護。 4.13 采用準優化SPWM調制技術，電壓利用率高。 4.14 功率單元經24小時高溫老化、150％負載試驗，可靠性高。 4.15 中文Windows 操作界面，彩色液晶觸摸屏操作。用戶操作監控系統界面十分友好和完善，系統包括上位機（商用PC機）、下位機（工控機）、單片機。其中單片機給用戶提供一個4位LED數碼顯示屏和一個12鍵的小鍵盤操作平臺，可對變頻器進行全部操作，包括參數設置和各種運行指令。工控機用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺，其功能更齊全，包括參數設定、功能設定、運行操作、運行數據打印、故障查詢等等。上位機（商用PC機）放在總控室，可對多臺變頻器進行遙測、遙控。若只有一臺變頻器，上位機可省，或讓客戶自定。 4.16 可接收和輸出多路工業標準信號。 4.17 可打印輸出運行報表。 5.基本控制要求 5.1直流制動 本提升機用變頻器，直流制動對提升系統的安全運行起到重要作用，當重車在中間停車時，PLC檢測到停機信號后給控制器發出一信號，讓提升機由高速平滑地降到低速，然后由控制器發出直流制動信號，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動。 5.2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，因不同的頻率，對應不同的加減速速率，在本裝置的控制中，將不同頻率時的加減速速率規劃成一個表格，運行中用查表的方法確定對應頻率時的加減速速率，使提升機平滑運行，減少機械沖擊。 5.3自動限速保護 在運行到終點時，由限速開關給出減速信號，PLC檢測到減速信號后發送給控制器，由控制器啟動自動減速程序，使工作頻率按設定要求逐步變為低速運行。提升機帶有測速發電機，當測速發電機給出超速信號，PLC檢測該信號發送給控制器，進入自動減速運行。 5.4再生能量處理 再生能量通過功率單元來處理，見圖4示： [align=center] 圖4 單元控制框圖[/align] 電機處于發電狀態，功率單元母線電壓Vbus升高，當母線電壓超過電網電壓的1.1倍時，CPU根據比較器和相位檢測的結果輸出六路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。 6.變頻調速系統對原調速系統的改造 為了確保安全可靠，讓變頻調速系統與原調速系統并存，互為備用，隨時可以切換。同時為了讓操作者不改變操作習慣，工、變頻系統都用原操作機構操作，如圖5所示： [align=center] 圖5工、變頻系統切換控制[/align] 7.現場應用情況及運行效果 設備改造工程于2005年4月調試成功。使用變頻器后有以下優點： 7.1.變頻系統無需原電控調速用的交流接觸器及調速電阻，提高了系統的可靠性，改善了操作人員的工作環境，使噪音及室溫降低。 7.2.調速連續方便，連續平滑調節。 7.3.實現了低頻低壓的軟起動和軟停止，使運行更加平穩，機械沖擊小，避免了掉道現象。 7.4.啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大電流不超過1.3倍的額定電流，提升機在重載下從低速平穩無級平滑的升至最高速，沒有大電流出現，減小了對電網的沖擊。 7.5.增加了直流制動功能，使重車停車時更加平穩，有效避免了“溜溝”現象。 7.6.采用回饋制動技術，成功解決了位能負載在快速減速或急停時的再生發電能量處理問題，保證了變頻器的安全運行。 7.7.節能效果顯著。據實測，在低速段節能明顯，一般可達到37%以上。 7.8.采用變頻控制后，原繞線式電機可改為普通電機，這不但降低了成本，普通電機比繞線式電機可節約投資1/3，而且電機維護方面，避免了轉子炭刷的燒損及維護。 8.結束語 礦山提升機變頻調速系統具有控制性能優良、操作簡便、運行效率高、維護工作量小等諸多優點，隨著變頻調速技術的日益成熟與能源節約要求的必然趨勢，它正成為礦山提升機傳動的發展方向。