一、 引言   

在煤礦生產(chǎn)中，礦井提升機起著非常重要的作用，它是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。提升機電控裝置的技術(shù)性能，既直接影響礦山生產(chǎn)的效率及安全，又代表著礦井提升機發(fā)展的整體水平。因此，要求礦井提升機拖動系統(tǒng)具有安全可靠，運行高效且定位準確的能力。

傳統(tǒng)的礦井提升中，80%左右是用交流繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的方式，此調(diào)速方式技術(shù)相對落后，無效功耗過大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且運行效果不理想。為了獲得較高性能的提升系統(tǒng)部分采用直流傳動方案，但直流電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在功率范圍受到一定的限制的同時，運行過程中又給用戶帶來了高昂的維護費用。隨著電力電子與電機控制技術(shù)的發(fā)展，采用變頻調(diào)速的方法具備了大轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速、低維護的特點，從根本上解決了其他調(diào)速方式的弊端，是目前礦井提升機電氣傳動的首選方案。

二、用戶簡介

輝縣市龍?zhí)锩簶I(yè)有限公司成立于2006年4月，是由深圳市潛龍實業(yè)集團有限公司控股的現(xiàn)代化股份制企業(yè)，擁有一座年產(chǎn)95萬噸的礦井——程村礦井，主產(chǎn)三號優(yōu)質(zhì)無煙煤，服務(wù)年限49年，礦井于2008年投產(chǎn)，稅收在新鄉(xiāng)市排名前10位 。如圖1所示

三、改造背景及方案確定

煤礦主、副井提升機系統(tǒng)在建井時部分設(shè)計為兩臺相同或不同容量的電動機一臺工作、一臺備用的拖動方式，即單機拖動方式。隨著礦井生產(chǎn)能力的提高，往往會出現(xiàn)單臺電動機工作無法滿足生產(chǎn)需要的情況。如重新購置容量較大的電動機就要將原有電動機淘汰，造成浪費。這時，可考慮在不更換設(shè)備的情況下，將單機拖動改為雙機同時拖動。

龍?zhí)锩簶I(yè)主井提升為一臺JKM-2.8/4（II）型多繩摩擦式提升機，裝備一對6T多繩箕斗，單電機最大輸入功率為800KW，已經(jīng)達到最大單電機設(shè)計標準。根據(jù)設(shè)計院設(shè)計標準，礦井最大提升能力為72萬噸/年（一鉤6T、25鉤/時、16小時/天、300天）。由于現(xiàn)在提升任務(wù)重，主井提升已嚴重制約了礦井的生產(chǎn)任務(wù)。為了改善這種情況提高生產(chǎn)能力，準備對主井進行改造，將6T箕斗更換為8T箕斗，單電機拖動改為雙電機拖動，電控系統(tǒng)改造為交-直-交高壓變頻調(diào)速提升機系統(tǒng)，改造后生產(chǎn)能力提高到95萬噸/年（一鉤8T、25鉤/時、16小時/天、300天），提升機達到最大的提升能力，電控改造后使提升系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)，便于實現(xiàn)全自動化運行，有效地提高了系統(tǒng)的安全性，降低了司機的勞動強度，同時高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)相比串電阻調(diào)速系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能效果。

初步方案設(shè)計為采用兩套高壓變頻調(diào)速裝置分別對兩臺電機進行供電，其中兩高壓變頻裝置采用矢量控制、主從同步，保證兩電機的同步拖動，實現(xiàn)兩臺電機輸出同樣轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩、功率分配均勻，達到整個調(diào)速范圍內(nèi)平滑無脈動，低速運行平穩(wěn)的水平。如其中一路電機或變頻器出現(xiàn)故障時，通過外部切換，可實現(xiàn)單電機全速半載正常運行。

四、現(xiàn)場基本工況

基本參數(shù)：井塔型多繩摩擦式提升機，提升高度：522m，井塔高度： 43.95m鋼絲繩根數(shù)：4根；

提升機參數(shù)：型號：JKM-2.8/4（II），導(dǎo)向輪直徑：2.5m，主導(dǎo)輪直徑：2.8m；

減速機參數(shù)：型號：ZHD₂R-140，減速比：10.5；

電機參數(shù)：#1電機 YR800-10，800kW，593rpm，6000V，98A，上海電氣集團上海電機廠有限公司；#2電機 YR560-10，800kW，592rpm，6000V，103A，佳木斯電機股份有限公司；

變頻器參數(shù)：型號：HARSVERT-FVA06/120，額定電壓6kV，額定電流120A，額定功率1000kW?，F(xiàn)場情況如圖2、圖3所示。

五、變頻器系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)介紹

此次變頻改造選用2臺型號為HARSVERT-FVA06/120的高壓變頻器。HARSVERT-FVA系列高壓變頻器是北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的新一代能量回饋型矢量控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用無網(wǎng)側(cè)電抗器的四象限單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，通過矢量控制算法對電機進行精確的控制。
    由于受IGBT耐壓限制，6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用功率單元串聯(lián)模式，6kV系列有15個功率單元，每5個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，如圖4所示。我公司高壓變頻系統(tǒng)采用矢量控制，高壓變頻系統(tǒng)是速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)壓精度高，動態(tài)響應(yīng)快。 

HARSVERT-FVA系列能量回饋型矢量控制高壓變頻器由激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜和控制柜組成，各柜體結(jié)構(gòu)如圖5所示

下面根據(jù)柜子從左至右的擺放順序，逐一介紹變頻器各組成部分的結(jié)構(gòu)及作用。

變頻器上電時沖擊電流可達到電機額定電流的6-10倍，系統(tǒng)配置的激磁涌流抑制柜內(nèi)設(shè)有真空接觸器和限流電阻，可以有效限制變頻器高壓上電時的充電電流和激磁涌流，保證變頻器高壓上電電流限制在1倍額定電流之內(nèi)，真正實現(xiàn)對電網(wǎng)的零沖擊。具體功用：

（1）消除上電時對IGBT的沖擊，加強可靠性， 大大增加設(shè)備使用壽命；

（2）消除上電時對電網(wǎng)的沖擊，避免電網(wǎng)電壓瞬間跌落，干擾其他設(shè)備的正常運行。

變壓器柜內(nèi)裝有整流變壓器，該變壓器采用免維護型干式變，絕緣等級為H級，最高耐受溫度180℃。變壓器將網(wǎng)側(cè)高壓變換為副邊的多組低壓，為功率柜中的功率單元供電，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，其工作電壓由各個低壓繞組的輸出電壓來決定，工作在相對的低壓狀態(tài)，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。各功率單元間的相對電壓，由變壓器副邊繞組的絕緣承擔，避免了串聯(lián)均壓問題。變壓器設(shè)有溫控設(shè)備，能夠?qū)崟r監(jiān)控其內(nèi)部溫度，在溫度較高時發(fā)出報警信號，在溫度過高時發(fā)出跳閘信號。此變壓器與通用型高壓變頻器的變壓器比較，有兩點不同，1、因為每個模塊都要向電網(wǎng)回饋能量，所以變壓器每個繞組的阻抗要求比較均勻，造價比較高；2、此變壓器二次繞組無需移相。

功率柜中裝有功率單元，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)為圖6。功率單元利用IGBT進行同步整流，同步整流控制器實時檢測單元電網(wǎng)輸入電壓，利用鎖相控制技術(shù)得到電網(wǎng)輸入電壓相位，控制整流逆變開管關(guān)所構(gòu)成的相位與電網(wǎng)電壓的相位差，便可控制電功率在電網(wǎng)與功率單元之間的流向。逆變相位超前，功率單元將電能回饋給電網(wǎng)，反之電功率由電網(wǎng)注入功率單元。

通過前部IGBT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， 通過對后部的IGBT逆變橋進行正弦PWM控制實現(xiàn)單相逆變。當電機進入發(fā)電狀態(tài)后，后部IGBT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，達到一定程度后，啟動前部IGBT，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(wǎng)，產(chǎn)品具備100%定額功率的能量回饋能力。

變頻器的輸出側(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波形進行重組，可得到如圖7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較長，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。

控制系統(tǒng)位于控制柜中，由主控制器（DSP）、人機界面（嵌入式工控機）、PLC三大部分構(gòu)成，三大部分各有分工，又互相通訊、協(xié)同工作。人機界面和主控制器及PLC之間均采用RS485進行數(shù)據(jù)通訊，通訊協(xié)議為Modbus協(xié)議。主控制器和PLC之間采用I/O點及模擬信號線建立簡單通訊。   

高性能交流傳動系統(tǒng)均需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，因此利德華福研發(fā)了高性能矢量控制技術(shù)，可保證很高的精度和很準確的動態(tài)轉(zhuǎn)速。整個系統(tǒng)采用高性能DSP微處理器，可以自動檢測到電機的參數(shù)，建立電機的數(shù)學(xué)模型，通過檢測電機的電壓和電流，對電機的磁通和轉(zhuǎn)矩進行實時的解耦控制，能夠?qū)﹄姍C轉(zhuǎn)矩進行主動的限制，避免負荷波動導(dǎo)致的過電流故障。

矢量控制產(chǎn)品的性能指標為：調(diào)速范圍100:1，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0.5%，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間小于200ms，啟動轉(zhuǎn)矩200%額定轉(zhuǎn)矩，基本達到國際先進水平。采用DSP高性能矢量控制的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)電機參數(shù)自動整定、系統(tǒng)狀態(tài)變量的實時顯示和監(jiān)控等功能。

六、改造過程及方案調(diào)整

變頻器安裝完成后，首先進行了主回路線路改造，然后將變頻器控制系統(tǒng)及單機高壓調(diào)試正常，同步進行操作臺的固定安裝，連接操作臺與變頻器之間的連線，調(diào)試操作臺與變頻器的信號傳遞，正常后把變頻器和操作臺接入到原系統(tǒng)中統(tǒng)調(diào)，帶重載調(diào)試是改造中的重點部分。

空載調(diào)試時，兩臺設(shè)備使用帶編碼器的矢量控制、主從同步，發(fā)現(xiàn)同步效果不理想，運行中減速機存在撞擊聲，不如VVVF控制方式穩(wěn)定。隨即果斷嘗試采用VVVF控制方式、自然同步，發(fā)現(xiàn)只在啟動時兩電機速度稍有不同，加速過程中輸出電流有部分差距，到高速段兩電機輸出電流相當，整個過程機械運轉(zhuǎn)效果良好?？紤]到兩臺電機廠家不同，電流及轉(zhuǎn)速參數(shù)也有差距，觀察單臺運行時的發(fā)現(xiàn)兩電機的電流變化規(guī)律也不同，認為空載滿足轉(zhuǎn)矩、功率分配平均原則。

帶載運行后，對于從6.5-10噸不等的負載進行測試，發(fā)現(xiàn)負載越重兩電機平衡性越好，與用戶討論后，決定不采用矢量控制、主從同步方式，運行VVVF控制、自然同步方式，該控制方式使兩電機轉(zhuǎn)矩、功率分配均勻，完全滿足工況要求。

七、改造后的效果

改造后，變頻器成功應(yīng)用于提升機生產(chǎn)，解決了原串電阻調(diào)速系統(tǒng)的各種弊端，優(yōu)勢如下：

（1）省去了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果；

（2）克服了接觸器、電阻器繞線電機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發(fā)生率，提高了系統(tǒng)的可靠性；

（3）啟動柔和，轉(zhuǎn)矩大，實現(xiàn)了無級平滑調(diào)速，加減速快速平穩(wěn)。啟動和加減速階段基本不存在機械沖擊，極大的延長了設(shè)備的使用壽命；

（4）自動化程度高，操作簡單，主令手柄和制動手柄在提升機運行中基本不動，降低司機勞動強度和操作難度，運行平穩(wěn)無震動，噪音低；

（6）基本無維護工作量，減低了維護人員的工作強度；

（7）系統(tǒng)具有更完善的軟硬件保護環(huán)節(jié)。

八、總結(jié)

該高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運行1年。北京利德華福變頻器首次在雙機拖動的提升機上運行，取得圓滿成功，證明了利德華福在高壓傳動領(lǐng)域上的雄厚技術(shù)實力。HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在龍?zhí)锩簶I(yè)的成功應(yīng)用，大大提高了主井提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，確保了主井提升機的高質(zhì)量運行，為用戶創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。實踐證明，利用技術(shù)先進、成熟安全的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以全面改善現(xiàn)場工況，提高系統(tǒng)自動化程度，節(jié)約電能。使用高壓變頻器可以大大降低現(xiàn)場維護量，帶來可觀的效益，切實響應(yīng)國家節(jié)能降耗的號召，值得大力推廣。