一、設(shè)備工況

此次項目為云南某煤業(yè)集團(tuán)下屬子礦的主井提升系統(tǒng)，之前采用轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式，在使用過程中存在諸多安全隱患，為提高系統(tǒng)的安全性，在我司的建議下，客戶最終決定采購一整套變頻電控系統(tǒng)，將之前的調(diào)速系統(tǒng)徹底替換。

提升機(jī)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)：

提升機(jī)型號：JK-2×1.8                    卷筒個數(shù)：1

卷筒直徑：2000 mm                       卷筒寬度：1800 mm

鋼絲繩最大直徑：24 mm                 最大靜張力：60 kN

電動機(jī)參數(shù)：

電動機(jī)型號：YKKPT 5002-8           額定功率：250 kW

額定電壓：10000 V                         額定電流：20.6 A

額定轉(zhuǎn)速：740 r/min                        功率因數(shù)：0.76

根據(jù)電機(jī)額定功率，綜合考慮電動機(jī)功率因數(shù)偏低、使用現(xiàn)場2000m海拔等多方面因素，匯川技術(shù)提供的變頻器型號為HD92-J100/400-RB，完全滿足現(xiàn)場使用要求。

圖一：絞車滾筒

二、變頻改造的必要性

改造之前的提升機(jī)電控系統(tǒng)中，電動機(jī)采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，隨著電力電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，該調(diào)速方式已經(jīng)屬于非常落后的一種調(diào)速技術(shù)，面臨著被淘汰的局面。該調(diào)速方式主要存在以下問題：

（1）提升機(jī)頻繁啟動與制動，在加、減速過程中，轉(zhuǎn)子上所串的電阻會產(chǎn)生嚴(yán)重的能耗，浪費(fèi)大量電能； 

（2）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)中，大量電能消耗在轉(zhuǎn)子所串的電阻上，能量以熱的形式消耗掉，導(dǎo)致周圍環(huán)境溫度升高、工作環(huán)境變差；

（3）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)存在控制電路復(fù)雜、工作穩(wěn)定性和可靠性差、缺乏故障診斷功能等問題；

（4）啟動時沖擊電流大，造成很大的機(jī)械沖擊，大大降低電動機(jī)的使用壽命；

（5）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)屬于有級調(diào)速方式，調(diào)速范圍窄，調(diào)速精度差，爬行時速度不易控制，特別是在重車下放時，需要動力制動、轉(zhuǎn)子串電阻及制動閘瓦配合操作，絞車司機(jī)操作困難，不易控制，安全性能差；

（6）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)電動機(jī)均采用繞線式電動機(jī)，存在有滑環(huán)接觸不良、維護(hù)工作量大、維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)。

針對上述問題，礦方經(jīng)過多方考察生產(chǎn)廠家及現(xiàn)場實際使用情況，最終決定重新采購一套電控系統(tǒng)，電動機(jī)采用匯川公司的HD92型四象限高壓變頻器驅(qū)動，徹底替換掉之前使用的調(diào)試系統(tǒng)。采用這種新型的電控調(diào)速方案，大大提高了整個提升機(jī)系統(tǒng)安全可靠性、控制精度及調(diào)速性能，在提高用戶生產(chǎn)效率的同時，還起到了節(jié)能減耗的目的。

三、匯川技術(shù)HD92四象限高壓變頻器拓?fù)鋬?yōu)勢

國內(nèi)市場上絕大多數(shù)高壓變頻器均采用功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，其中，功率單元采用兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，10kV高壓變頻器每相由8或9個功率單元組成，整機(jī)由24或27個功率單元組成，具有功率單元數(shù)量眾多，體積大的缺點(diǎn)。根據(jù)此種情況，匯川公司創(chuàng)新性的提出了三電平功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，使得每個功率單元具有更高的輸出電壓，10kV高壓變頻器整機(jī)只需要15個功率單元（6kV整機(jī)只需要9個功率單元組成），從根本上減少了功率單元數(shù)量，減小了變頻器整機(jī)體積。10kV高壓變頻器整機(jī)拓?fù)鋱D如圖二：

圖二：10kV四象限高壓變頻器拓?fù)?/span>

功率單元采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，中心點(diǎn)采用二極管鉗位，整個功率單元由AFE整流、直流濾波、逆變?nèi)蟛糠纸M成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖三：

圖三：功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)變頻器輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩方向一致時，電機(jī)處于電動機(jī)狀態(tài)，此時，功率單元AFE側(cè)從電網(wǎng)獲取有更多的功功率，提供給電機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；當(dāng)變頻器輸出轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩方向不一致時，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時，產(chǎn)生的電能會將功率單元的母線電壓抬高，AFE側(cè)迅速將多余的能量回饋到電網(wǎng)。

四、提升機(jī)高壓變頻技術(shù)方案

改造內(nèi)容：現(xiàn)有電控系統(tǒng)全部拆除，重新采購一整套新的絞車系統(tǒng)，其中操作臺采用兩臺可編程控制器，其中一臺為主控機(jī)負(fù)責(zé)提升機(jī)的主程序，第二臺為監(jiān)控機(jī)負(fù)責(zé)信號打點(diǎn)、語音報警和后備保護(hù)，兩臺PLC有主有從，互有分工，相互監(jiān)視實現(xiàn)了安全回路的雙線制。使用變頻器驅(qū)動電機(jī)，變頻器型號為HD92-J100/400-RB，采用遠(yuǎn)程控制方式，由操作臺的PLC將控制指令傳送到變頻器，控制框圖如圖四：

圖四：控制臺圖

操作臺PLC與變頻器之間采用硬線連接方式，通過4~20mA模擬量信號調(diào)速，驅(qū)動電機(jī)在0~50Hz范圍內(nèi)運(yùn)行。具體接口信息如圖五所示：

圖五：接口信息圖

變頻器采用兩線式控制模式，通過DI9、DI10兩個端口分別控制變頻器正、反轉(zhuǎn)，頻率給定采用4~20mA模擬量信號，對應(yīng)變頻器輸出頻率0~50Hz； 

變頻器控制采用開環(huán)矢量控制技術(shù)，無需安裝編碼器作速度閉環(huán)控制，可根據(jù)電機(jī)運(yùn)行電壓及電流自行解耦出電機(jī)實時運(yùn)行狀態(tài)。

五、變頻改造優(yōu)勢

1、節(jié)能：相比較于之前的轉(zhuǎn)子串電阻太偶素方式，采用變頻調(diào)速后，在生產(chǎn)力提升30%的情況下，用電量節(jié)約超過20%；

2、系統(tǒng)安全性得到提升：采用變頻調(diào)速之后，系統(tǒng)能夠按照設(shè)計的速度曲線自主的進(jìn)行提升速度的精確控制，降低了系統(tǒng)的操作難度，避免了超速、過卷的發(fā)生，極大的提升了整個系統(tǒng)的安全性；

3、功率因數(shù)顯著提高：功率因數(shù)將從轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的0.8左右提高到0.95以上，大大提高了設(shè)備對電網(wǎng)容量資源的利用率，減少了因無功電流引起的線路損耗。

4、提高生產(chǎn)效率：改造后，變頻器加速時間10s，減速時間10s，大大縮短了每次的提升時間，提高了生產(chǎn)效率。徹底解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中用制動閘瓦或電機(jī)斷電自然減速來操控低速運(yùn)行時速度波動大、難于控制又不安全的難題。

5、設(shè)備維護(hù)量減少：在整個提升過程中完全依靠電力牽引與制動，制動閘瓦只需在停車和安全回路保護(hù)動作時才進(jìn)行抱閘，因此，大幅度的減少了閘瓦的磨損。

6、工作環(huán)境得到改善：取消了原有的大功率調(diào)速電阻，徹底解決了電阻發(fā)熱導(dǎo)致環(huán)境溫度高的問題，大大改善了運(yùn)行現(xiàn)場的工作環(huán)境。

7、啟動時對電網(wǎng)沖擊小：變頻器為最好的軟啟動裝置，啟動時對電網(wǎng)的沖擊小于一倍電流。

圖六：變頻器啟動電流

六、匯川技術(shù)HD92四象限獨(dú)有優(yōu)勢

1、低速運(yùn)行性能優(yōu)越：采用磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)，除具有電流、電壓閉環(huán)外，還具有磁鏈閉環(huán)的特性，不依賴電機(jī)參數(shù)，解決了傳統(tǒng)矢量控制低頻控制效果差的缺點(diǎn)，在低頻時依然能夠可靠驅(qū)動電機(jī)，不會出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動等情況；

2、無編碼器矢量控制：大多數(shù)高壓變頻器廠家在提升機(jī)應(yīng)用上，需在電機(jī)軸上安裝編碼器進(jìn)行速度閉環(huán)控制，在實際應(yīng)用時，安裝編碼器非常困難且容易損壞；匯川技術(shù)HD92四象限高壓變頻器采用開環(huán)矢量控制，無需安裝編碼器，實際應(yīng)用結(jié)果表明，匯川變頻器在不加裝編碼器的情況下，控制性能依然優(yōu)越于大多數(shù)廠家；

3、低頻大扭矩特性：采用磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)，具有優(yōu)越的低頻特性，采用開環(huán)矢量控制時，在0.5Hz就能夠輸出150%額定轉(zhuǎn)矩，確保提升機(jī)在低速運(yùn)行時，依然有足夠的轉(zhuǎn)矩輸出，不會出現(xiàn)拖不動、溜鉤、怠速抱閘等現(xiàn)象；

4、啟動平滑無沖擊：采用磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)，勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流完全解耦控制，在啟動過程中，輸出電流完全受控，不會出現(xiàn)啟動沖擊電流；

5、諧波?。翰捎肁FE可控整流，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)獨(dú)立可控，接近于1，且每個功率單元配備有獨(dú)立的PFC電抗器，確保對電網(wǎng)沒有任何諧波污染；

6、體積?。翰捎昧巳娖焦β蕟卧?， 10kV（6kV）整機(jī)只需要用15（9）個功率單元，相比較于其他廠家，功率單元數(shù)量大大減少，從而減小了整機(jī)體積；

七、結(jié)束語

通過對原有系統(tǒng)的優(yōu)化改造，大大改善了煤礦提升機(jī)的運(yùn)行效率，從而在降低機(jī)械磨損、沖擊的同時，提高了企業(yè)生產(chǎn)能力。

匯川技術(shù)的HD92四象限高壓變頻器，采用磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)，在提升機(jī)應(yīng)用中，可以采用不安裝編碼器的方案。從實際效果看，運(yùn)行曲線平滑，完全可以滿足使用要求。