1 概述

目前礦用交流提升機普遍使用繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制系統(tǒng)。在減速和重物下放時能量通過轉(zhuǎn)子電阻釋放，能量不能回饋回電網(wǎng)，調(diào)速精度低，爬行速度不易控制，尤其是重物下放時，需要動力制動與轉(zhuǎn)子串電阻及制動閘配合操作，司機不易控制，安全性能差。在減速時和下放重物時，投入動力制動，不僅消耗外加電能，而且還將電動機上的再生電能消耗在轉(zhuǎn)子串接的電阻上，浪費了大量的電能，運行維護量大，維護費用高，司機操作難度大，勞動強度大。改造提升機，用變頻調(diào)速系統(tǒng)替代原工頻調(diào)速系統(tǒng)，同時保留原低頻調(diào)速系統(tǒng)，使兩套系統(tǒng)互為備用，增加系統(tǒng)運行的可靠性。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交-直-交電壓型變頻調(diào)速技術(shù)已開始在礦井提升機中應(yīng)用。HIVERT—Y4 VF 06 6/061型。大功率變頻器是北京合康億盛變頻科技股份有限公司研發(fā)和生產(chǎn)的高壓交流電機調(diào)速驅(qū)動裝置。該變頻器采用了先進功率單元串聯(lián)疊波技術(shù)，矢量控制技術(shù)，有源逆變能量回饋技術(shù)，可靠性高，性能優(yōu)越，操作簡單?？蓱?yīng)用于四象限運行，帶能量反饋，動態(tài)響應(yīng)快，低速運行轉(zhuǎn)矩大場合。

2 控制原理

HIVERT-YVF采用轉(zhuǎn)子帶速度反饋的矢量控制技術(shù)。在轉(zhuǎn)子磁場定位坐標(biāo)下電機定子電流分解成勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流。維持勵磁電流不變，控制轉(zhuǎn)矩電流也就控制電機轉(zhuǎn)矩。電機轉(zhuǎn)速采用閉環(huán)控制。實際運行中給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值通過PID調(diào)節(jié)生成轉(zhuǎn)矩電流IT。經(jīng)過矢量變換將IT、IM變換為電機三相給定電流Ia*、Ib*、Ic*，它們與電機運行電流相比較生成三相驅(qū)動信號?？刂圃砜驁D如圖1。

3 主電路圖

HIVERT系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關(guān)元件為IGBT。HIVERT變頻器采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。（如圖2）

由單元串聯(lián)式多電平變頻器向高壓交流電動機供電時，變頻器和電動機都于高壓等級的交流電網(wǎng)沒有直接關(guān)系。電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次繞組多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，單項多個獨立的低壓PWM變頻功率單元輸出端串聯(lián)起來實現(xiàn)變壓變頻的千伏級高壓輸出直接供給高壓電動機。

6kV高壓變頻器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)輸入6KV經(jīng)過移相變壓器變?yōu)?個低壓，獨立，移相二次繞組電源。每個二次繞組電源接入功率單元模塊，經(jīng)過整流，濾波和逆變輸出單相交流電源，由此每相由6個額定輸出電壓為580V的功率單元串聯(lián)而成，使輸出的相電壓額定值3450×√3 V，線電壓為3450×√3 V，接近6kV,采用對調(diào)制波疊加3次諧波的方式，可以使單元輸出PWM波基波幅值增加，整機空載時輸出能力最高為輸入電壓1.15倍。

相變壓器的作用是降壓，提供獨立電源，電流多重化。降壓可以使低耐壓功率管降低dv/dt。獨立電源是輸出電壓重組的要求，電流多重化可以電網(wǎng)側(cè)電流諧波對電網(wǎng)污染少，二次側(cè)通過不同的聯(lián)接方式使它們之間的電流有相位差，反映在變壓器一次，就形成多重化聯(lián)接多階梯波的電流波型，理論上可消除電網(wǎng)47次以下諧波，輸入功率因數(shù)可達95%以上，不必采用輸入濾波器和功率因數(shù)補償裝置。

4 單元主電路原理

每個功率單元都是輸入，輸出的低壓PWM電壓型逆變器，它是交直交單相變頻器，由三相整流環(huán)節(jié)，濾波環(huán)節(jié)，逆變環(huán)節(jié)構(gòu)成。

每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換100%定額功率的能量回饋能力，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，控制整流逆變開關(guān)管Q11～Q16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。以a相為例，若要控制a相電流正方向流動且幅值增大，必須使Q12導(dǎo)通，若要控制a相電流反方向流動且幅值減小，必須關(guān)斷Q11，使電流通過Q12并聯(lián)的續(xù)流二極管，當(dāng)電機處于減速運行狀態(tài)或負力提升時，由于負載慣性作用進入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器中開關(guān)元件和續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，電容器上的直流電壓達到有源逆變起動的門檻電壓時，自動起動有源逆變，這時逆變相位超前，功率單元將電機及其負載的機械能轉(zhuǎn)化為電能，回饋到電網(wǎng)中去。反之則電功率由電網(wǎng)注入功率單元，電功率大小與相位差成正比。電功率的大小及流向由單元電壓決定，就同步整流而言，整流側(cè)相當(dāng)于一個穩(wěn)壓電源，與電功率大小及方向相對應(yīng)的電網(wǎng)與逆變相位差由單元電壓與單元整定值之間的偏差通過PID調(diào)節(jié)生成。

逆變器由4個IGBT構(gòu)成，輸出電壓和頻率均為可調(diào)，它有四種開關(guān)組合情況，（1）Q1和Q4同時導(dǎo)通，輸出端有正的直流母線電壓U。（2）Q2和Q3同時導(dǎo)通則輸出端有負的直流母線電壓—U。（3）Q1和Q3同時導(dǎo)通或Q2和Q4同時導(dǎo)通，則輸出端電壓為“0”，所以每個功率單元輸出電壓為U，0，—U三種狀態(tài)電平，每相6個單元疊加，由于多重化PWM技術(shù)，即每一相各串聯(lián)功率單元的載波信號錯開一定的電角度與參考波進行調(diào)制，就可產(chǎn)生11種不同的電平等級，分別為±6V、±5V、±4V、±3V、±2V、±1V、0V經(jīng)疊加可得具有13級階梯電平的相電壓波形和對應(yīng)階梯電平的線電壓波形，使得輸出波形接近正弦波，輸出電流諧波小。

逆變器采用多電平相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，但串聯(lián)各單元的6對載波（每對含正反向的信號）之間錯開30°（以載波的周期來算），每個單元的輸出實現(xiàn)多電平PWM，每個功率單元的IGBT開關(guān)頻率為1kHZ，單相6個功率單元串聯(lián)時，等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為6kHZ。

采用功率單元串聯(lián)，但不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個功率單元承受全部的輸出電流。但僅承受1/6的輸出相電壓和，功率單元采用低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗。而高的等效輸出開關(guān)頻率和多電平可以大大改善輸出波形，波形的改善，減小輸出諧波外。還可以降低噪聲。dv/dt值和電機的轉(zhuǎn)矩脈動，所以這種變頻器對電機無特殊要求?？捎糜谄胀ɑ\型電機，且不必降額使用。對輸出電纜也無特殊限制。這種主電路拓撲結(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加。但由于IGBT驅(qū)動功率降低，且不必采用均壓電路吸收電路和輸出濾波器?？墒棺冾l器的效率高達96%。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)。所有功率單元可以互換，安裝，維修方便。由于采用IGBT可控整流電路，能量回饋電網(wǎng)。變頻器能四象限運行。

5 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

控制電路要完成以功率，電機控制，多電平PWM，系統(tǒng)狀態(tài)檢測和保護，運行參數(shù)設(shè)定，參數(shù)和狀態(tài)顯示，通信，IGBT控制。

（1）控制器由三塊光纖板，一塊信號板和一塊電源板，各板之間通過母線底板聯(lián)接。光纖板通過光纖與功率單元傳遞數(shù)字信號，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向功率單元發(fā)出脈寬調(diào)制PWM信號或工作模式。單元通過光纖接受其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號，并在故障時向光纖板發(fā)出故障代碼信號。信號板采集變頻器的輸出電壓，電流信號和軸編碼器信號，并將模擬信號隔離，濾波和量程轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號用于變頻器的控制，保護，以及提供給主控板數(shù)據(jù)采集。主控板采用高速單片機，完成對電機控制的所有功能，運用矢量控制方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令。通過RS232通信口與人機界面主控板進行交換數(shù)據(jù)，提供變頻器的狀態(tài)參數(shù)，并接受人機界面主控板的參數(shù)設(shè)置。

（2）開關(guān)量處理，接受和發(fā)送數(shù)字（開關(guān)）信號，接受的信號用光耦隔離，發(fā)送的信號用光耦隔離或采用繼電器接點輸出。

（3）IO板用于變頻器內(nèi)部開關(guān)信號以及現(xiàn)場操作和狀態(tài)信號的邏輯處理，增強了變頻器現(xiàn)場應(yīng)用的靈活性。IO接口板有兩路模擬量輸入和兩路模擬量輸出的能力，模擬量輸入用于設(shè)置時的設(shè)置信號和來自現(xiàn)場的流量，壓力等模擬信號，這兩路信號通過處理后送到人機界面進行模擬轉(zhuǎn)換；模擬輸出量是運行頻率和輸出電流。接口板還對單元柜，輸入電流和輸入電壓進行采樣，并計算出輸入功率。

（4）控制電源系統(tǒng)包括220V隔離變壓器，380V隔離變壓器，整流電路，其電源分別來自220V及主電源，整流后為控制系統(tǒng)提供直流電源，雙回路供電，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

（5）人機界面負責(zé)信息處理和外部的通訊聯(lián)系。人機界面由主控板，液晶顯示屏和觸摸鍵盤組成，顯示變頻器運行參數(shù)。通過RS232通訊口與控制器連接，通過RS485通訊口與IO接口板連接，實時監(jiān)控變頻器的狀態(tài)，計算出電流，電壓，功率，頻率等運行參數(shù)和實現(xiàn)故障記錄。

6 改造方案和現(xiàn)場實施情況

原有的系統(tǒng)是：電控系統(tǒng)設(shè)備為TK5—IV型交流提升機電控裝置，低頻柜采用芬蘭VACON公司生產(chǎn)的低壓變頻器（45CX4G2N1），提升機型號2JK—3/20A， 功率315kW，電機型號JRQ158—10。

改造內(nèi)容：現(xiàn)有電控系統(tǒng)中低頻系統(tǒng)保留，其余全部拆除，新安裝一套高壓變頻調(diào)速電控裝置，高壓變頻器為北京合康變頻公司生產(chǎn)的HIVERT—Y4 VF 06 6/061型630kVA。主控臺采用兩臺西門子S7—314—2DP型可編程控制器，按安全回路雙線制設(shè)計。邏輯編程簡單，安全保護可靠，狀態(tài)顯示齊全，具備語言報警功能，具有完善的防雷系統(tǒng)，滿足現(xiàn)有的各種電器閉鎖要求，具有應(yīng)急運行功能當(dāng)主控PLC故障時，可以低頻開車。

變頻改造后，實現(xiàn)了提升機加減速過程的平穩(wěn)控制，運行過程提升繩擺幅明顯減小，人員升降舒適性明顯提高，電動機啟動電流與啟動時振動顯著降低;自動化電控系統(tǒng)很好的防止提升機過卷和過放事故發(fā)生；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;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，給企業(yè)帶來了實際的利益，串電阻調(diào)速系統(tǒng)占地面積大、發(fā)熱量高、噪聲大等問題也得到了解決。由于采用了高壓變頻控制技術(shù)，整個運行過程平穩(wěn)，無級調(diào)速，乘坐舒適，減少了機械的沖擊，延長了設(shè)備使用壽命，產(chǎn)生了非?？捎^的經(jīng)濟及社會效益。礦山提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)具有控制性能優(yōu)良、操作簡便、運行效率高、維護工作量小等諸多優(yōu)點,隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟與能源節(jié)約要求的必然趨勢，它正成為礦山提升機調(diào)速的發(fā)展方向。

7 總結(jié)：

HIVERT-YVF系列變頻器運用了通用高壓變頻器的成熟技術(shù)，使得運行安全穩(wěn)定、故障率低、基本免維護、技術(shù)先進、保護齊全、操作方便、節(jié)能效果顯著（與原電阻調(diào)速系統(tǒng)相比，可節(jié)電10%-30％以上），功率因數(shù)高（0.95以上），諧波含量極少，符合國家對電網(wǎng)要求的國家標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)點。四象限高壓變頻器在交流提升機轉(zhuǎn)子串電阻電控系統(tǒng)改造及新提升機電控系統(tǒng)配置中，提高了礦山提升機控制技術(shù)和裝備水平。高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)不僅大大提高了礦山交流提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動，是交流提升機電控系統(tǒng)發(fā)展的方向，應(yīng)用前景廣闊。實現(xiàn)提升全過程變頻調(diào)速閉環(huán)控制，滿足提升機各種運行工況及特殊載荷運行條件，符合《煤礦安全規(guī)程》要求。