14年4月，匯川技術(shù)1臺(tái)HD92四象限高壓變頻器成功應(yīng)用于貴州某煤礦礦井提升機(jī)上。該產(chǎn)品有效地解決了使用交流繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制系統(tǒng)時(shí)，提升機(jī)減速和爬行階段的速度控制性能差、嚴(yán)重耗能等問(wèn)題，為用戶提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了雙重節(jié)能效果，并有效利用能源。

一、設(shè)備工況

礦井提升機(jī)，也稱(chēng)礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、絞車(chē)，是指安裝在地面、借助于鋼絲繩帶動(dòng)提升容器沿井筒或斜坡道運(yùn)行的一種大型提升機(jī)械設(shè)備，是井上和井下的唯一輸送通道。它是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備，以帶動(dòng)鋼絲繩從而帶動(dòng)容器在井筒中升降，完成輸送任務(wù)。礦井提升機(jī)是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來(lái)?，F(xiàn)代的礦井提升機(jī)提升量大，速度高，安全性高，已發(fā)展成為電子計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)重型礦山機(jī)械。  

此提升機(jī)變頻改造項(xiàng)目中，之前采用轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式，在使用過(guò)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(gòu)一整套變頻電控系統(tǒng)，將之前的調(diào)速系統(tǒng)徹底替換掉。

圖1 提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)圖

系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)：

根據(jù)電機(jī)額定功率，綜合考慮電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)偏低、使用現(xiàn)場(chǎng)1000m海拔等多方面因素，匯川技術(shù)選用HD92四象限高壓變頻器，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

二、提升機(jī)工藝要求

提升機(jī)的過(guò)程是提升容器在井筒中周期往返運(yùn)動(dòng)，通常以提升容器的運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系來(lái)表示其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，稱(chēng)為速度圖，我們常用的提升系統(tǒng)的速度圖，包括五個(gè)階段，一般稱(chēng)為五階段速度圖。即：加速階段、等速階段、減速階段、爬行階段、制動(dòng)階段。提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)速度曲線如下圖所示：

圖2 提升機(jī)運(yùn)行速度曲線圖

速度曲線圖表達(dá)了提升容器在一個(gè)提升循環(huán)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：

1）加速階段 t1：當(dāng)斗車(chē)離開(kāi)井底時(shí)，以加速度 a1 進(jìn)行加速，直至到達(dá)最大提升速度Vm，約2.7m/s；

2）等速階段 t2：斗車(chē)在此階段以最大提升速度 Vm 等速運(yùn)行，直至斗車(chē)快要到達(dá)井口位置開(kāi)始減速為止；

3）減速階段 t3：斗車(chē)將要接近井口時(shí)，開(kāi)始以減速度 a3 開(kāi)始減速；

4）爬行階段 t4：斗車(chē)將到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，斗車(chē)以0.5m/s的速度爬行；

5）制動(dòng)階段 t5：當(dāng)斗車(chē)運(yùn)行至終點(diǎn)時(shí)，提升機(jī)系統(tǒng)抱閘停車(chē)。

要使提升機(jī)按給定的速度曲線運(yùn)行，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)負(fù)載的變化而自動(dòng)的工作在電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài)。綜合以上提升機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)以及礦山生產(chǎn)固有的特點(diǎn)，提升機(jī)工藝對(duì)提升機(jī)電控系統(tǒng)的要求如下：

1）加（減）速度應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。提升人員時(shí)，加速度a≤0.75m/s 2 ，升降物料時(shí)，加速度a≤1.2m/ s 2。另外不得超過(guò)提升機(jī)的減速器所允許的動(dòng)力矩。

2）具有良好的調(diào)速性能。要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿足各種運(yùn)行方式及提升階段（如加速、減速、等速、爬行等）穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

3）有較好的起動(dòng)性能。提升機(jī)不同于其他機(jī)械，不可能等到系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)后再裝加負(fù)載，因此，提升機(jī)必須能夠重載啟動(dòng)，有較高的過(guò)載能力。

4）特性曲線要硬。要保證負(fù)載變化時(shí)，提升速度基本上不受影響，防止負(fù)載大小不同時(shí)速降過(guò)大，影響系統(tǒng)正常工作(當(dāng)然，當(dāng)負(fù)載超過(guò)一定的限度時(shí)，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護(hù)。迅速安全制動(dòng)停車(chē)，即所謂要具備挖土機(jī)機(jī)械特性)。

5）工作方式轉(zhuǎn)換容易。要能夠方便的進(jìn)行自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、驗(yàn)繩、調(diào)繩等工作方式的轉(zhuǎn)換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。

三、變頻改造方案

改造內(nèi)容：現(xiàn)有電控系統(tǒng)全部拆除，重新采購(gòu)一整套新的絞車(chē)系統(tǒng)，其中操作臺(tái)采用兩臺(tái)可編程控制器，其中一臺(tái)為主控機(jī)負(fù)責(zé)提升機(jī)的主程序，第二臺(tái)為監(jiān)控機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)打點(diǎn)、語(yǔ)音報(bào)警和后備保護(hù)，兩臺(tái)PLC有主有從，互有分工，相互監(jiān)視實(shí)現(xiàn)了安全回路的雙線制。使用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用遠(yuǎn)程控制方式，由操作臺(tái)的PLC將控制指令傳送到變頻器，控制框圖如下：

圖3 提升機(jī)控制框圖

操作臺(tái)PLC與變頻器之間采用硬線連接方式，通過(guò)0~10V模擬量信號(hào)調(diào)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在0~50Hz范圍內(nèi)運(yùn)行。具體接口信息如下圖所示：

變頻器采用兩線式控制模式，通過(guò)DI9、DI10兩個(gè)端口分別控制變頻器正、反轉(zhuǎn)，頻率給定采用0~10V模擬量信號(hào)，對(duì)應(yīng)變頻器輸出頻率0~50Hz；

與高壓開(kāi)關(guān)柜聯(lián)鎖信號(hào)：

1）合閘允許：常開(kāi)接點(diǎn)，閉合有效，此信號(hào)串聯(lián)在供電高壓開(kāi)關(guān)柜的合閘回路中，當(dāng)變頻器自檢完成或系統(tǒng)處于工頻狀態(tài)時(shí)，信號(hào)閉合，允許用戶合高壓電；

2）高壓跳閘：常閉接點(diǎn)，斷開(kāi)有效，此信號(hào)并聯(lián)在供電高壓開(kāi)關(guān)柜的分閘回路上，當(dāng)變頻器發(fā)生重故障或急停信號(hào)有效時(shí)，分?jǐn)嘤脩舾邏弘姡?/span>

變頻器DO信號(hào)：

以上輸出信號(hào)全部為獨(dú)立無(wú)源干接點(diǎn)，默認(rèn)為常開(kāi)接點(diǎn)，閉合有效，容量大小為250V AC 5A。

變頻器DI信號(hào)：

以上輸入信號(hào)僅需客戶提供獨(dú)立無(wú)源干接點(diǎn)，脈沖信號(hào)，除急停外，其它信號(hào)均默認(rèn)為常開(kāi)接點(diǎn)，閉合有效；

變頻器AI信號(hào)：

變頻器AO信號(hào)：

注：如果有特殊接口需求，可提前與我公司聯(lián)系，進(jìn)行定制；

變頻器控制采用開(kāi)環(huán)矢量控制技術(shù)，無(wú)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(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

四、高壓變頻系統(tǒng)原理

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(gè)功率單元組成，整機(jī)由24或27個(gè)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，匯川技術(shù)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(gè)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(gè)功率單元，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如下：

圖4 10kV四象限高壓變頻器拓?fù)鋱D

 
圖5 實(shí)際運(yùn)行中HMI畫(huà)面

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(gè)功率單元由AFE整流、直流濾波、逆變?nèi)蟛糠纸M成，功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

圖6 功率單元拓?fù)鋱D

當(dāng)變頻器輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩方向一致時(shí)，電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，此時(shí)，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(shí)，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時(shí)，產(chǎn)生的電能會(huì)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)。

五、變頻改造優(yōu)勢(shì)

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(guò)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(jì)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(guò)卷的發(fā)生，極大的提升了整個(gè)系統(tǒng)的安全性；

3、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(lài)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(shí)依然能夠可靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)，不會(huì)出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)等情況；

4、提高生產(chǎn)效率：改造后，變頻器加速時(shí)間10s，減速時(shí)間10s，大大縮短了每次的提升時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。徹底解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中用制動(dòng)閘瓦或電機(jī)斷電自然減速來(lái)操控低速運(yùn)行時(shí)速度波動(dòng)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(gè)提升過(guò)程中完全依靠電力牽引與制動(dòng)，制動(dòng)閘瓦只需在停車(chē)和安全回路保護(hù)動(dòng)作時(shí)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(wèn)題，大大改善了運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境。

7、無(wú)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(kāi)環(huán)矢量控制，無(wú)需安裝編碼器，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，匯川技術(shù)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；

8、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(kāi)環(huán)矢量控制時(shí)，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(shí)，依然有足夠的轉(zhuǎn)矩輸出，不會(huì)出現(xiàn)拖不動(dòng)、溜鉤、怠速抱閘等現(xiàn)象；

9、啟動(dòng)平滑無(wú)沖擊：采用磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)，勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流完全解耦控制，在啟動(dòng)過(guò)程中，輸出電流完全受控，不會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)沖擊電流；

10、諧波小：采用AFE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(gè)功率單元配備有獨(dú)立的PFC電抗器，確保對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有任何諧波污染；