四象限高壓變頻器在煤礦副井提升機中的應用

郭永庫+++王殿東+++王超越

摘 要：在煤礦中，提升機是生產運行的主要設備。文章中提升機異步電機連接方式為轉子與電阻串聯(lián)，采用四象限矢量控制再生制動型的高壓變頻器調速。此種方法為大功率提升機調速帶來了科技進步。在實際生產試驗中，副井安裝四象限高壓變頻后運行效果良好，真正解決了重載下放問題，同時使減速和重載下放產生的電能及時回饋電網，節(jié)電效果顯著。

關鍵詞：四象限高壓變頻器；提升機；矢量控制；再生制動

1 概述

目前，在煤礦生產中，副井提升機的主要作用是提升人員與物料。提升絞車普遍采用繞線式異步電動機，并采取轉子編碼串電阻的方法調速，該系統(tǒng)為有級調速。但是其相對低速轉矩小，轉差率大，且啟動電流和換擋電流沖擊非常大，同時載物重量多變，使得副井提升系統(tǒng)在速度控制上較為困難；在電阻上消耗了很大能量，且停車位置不準。這種系統(tǒng)不僅能源消耗巨大，并且無法實現精度控制，給煤礦安全生產帶來了很大隱患。

本文中副井提升系統(tǒng)由四象限高壓變頻器控制系統(tǒng)組成，主要結構由變頻單元柜、高壓開關柜、電抗器柜、控制柜、移相變壓器組成[1]。四象限高壓變頻器可四象限運行，采用矢量控制技術，分離電機轉矩電流與勵磁電流并獨立控制，采用速度閉環(huán)與電流閉環(huán)控制，使得轉矩控制動態(tài)響應迅速，從而獲得良好的調速性能。該控制系統(tǒng)節(jié)電效果良好，可使重載下放時不用加配重，避免過卷（過放）事故，并提高了電網容量資源利用率，同時其采用的電力電容壽命長，性能好，耐電壓沖擊，進一步提高了煤礦生產的安全性[2]。考慮到四象限高壓變頻器運行穩(wěn)定，動態(tài)響應迅速，制動和定位準確等優(yōu)點；經反復調試試驗，完成了副井提升機四象限高壓變頻電控系統(tǒng)的設計[3]。并在鐵法能源公司小青礦的生產中得到了實際應用，結果表明該副井提升控制系統(tǒng)動態(tài)響應速度快，可控性高，制動和定位準確，調速精度高，大大提高了安全可靠性。在煤礦安全生產中具有重要的實際意義。

2 四象限高壓變頻器工作原理

圖1 功率單元主回路原理圖

圖1為四象限功率單元主回路原理。變頻器的逆變與整流側功率器件采用IGBT，選取先進的H橋串聯(lián)高壓變頻理論。當變頻器工作在一、三象限時，電機為電動狀態(tài)，從電網吸收能量；而在二、四象限時，電機為發(fā)電狀態(tài)，產生的電能通過逆變側傳輸到直流母線，達到設定電壓時即可完成直-交變換，并通過控制逆變側電壓相位與幅值回饋給電網優(yōu)質的電能。

高壓變頻器拓撲結構如圖2所示，四象限高壓變頻器功率單元采用交-直-交變頻技術，變頻器控制采用目前應用成熟的PWM脈寬調試方式，使系統(tǒng)具有較高的動態(tài)響應能力與較低的開關損耗。根據煤礦生產特點，變頻系統(tǒng)電壓為6kv，采取三相18個功率單元結構，將每相額定電壓為580V的6個功率單元相互串聯(lián)；這樣從電網傳輸的三相6kV交流電可經由隔離移相變壓器二次繞組至單個功率單元。各功率單元串聯(lián)成三相Y型連接，供給電動機6kV電壓。

2.1 變頻器輸出側

變頻器輸出側由每個變頻功率單元的兩個交流輸出端子依次串聯(lián)，分別形成U、V、W相，再接成Y型，給高壓電動機直接供電。

實際控制中，可通過本相上的6個功率單元輸出SPWM波相互疊加得到正弦波，并且即使在低速下輸出也能保持良好的波形，避免了由輸出諧波電流引起的電機發(fā)熱和轉矩脈動及電機振動等一系列問題。

實測高壓變頻器輸出電壓、電流波形：

圖3 高壓變頻器輸出電壓 圖4 高壓變頻器輸出電流

2.2 變頻器輸入側

輸入側是將6KV高壓經過高壓開關柜加到移相隔離變壓器的原邊，再由移相隔離變壓器的副邊分為多組并通過移相之后分給每個變頻功率單元獨立供電。這種結構使整流輸出波形由幾十個脈沖波序列構成多級移相疊加，可使電網側的電流波形顯著提高，功率因數達到到0.95以上。

實測高壓變頻器輸入電壓、電流波形：

圖5 高壓變頻器輸入電壓 圖6 高壓變頻器輸入電流

3 四象限變頻器整機現場重物下放測試

副井提升機絞車電機有關參數：電動機型號：YR118/44-10 ；電動機容量：2×630KW；定子電流：2×76.3A ；定子電壓：6000V；轉子電壓：895V；轉子電流：438A；轉速：592轉/分。

試驗過程：2012年10月5日由小青礦機電科、運轉隊、榮信電力電子股份有限公司技術人員和天津深藍電控設備技術有限公司技術人員共同做載重試驗。 副井使用高壓變頻載重試驗結果如下表1。

經過裝載重量的變化及提升速度的變化試驗，每次負力下放，變頻設備運行均平穩(wěn)可靠，到減速點后均能按要求減速至0.5m/s以下，司機可平穩(wěn)帶閘停車。此時變頻設備可滿足絞車負力下放的正常操作，可避免因誤操作或負力下放所產生的事故，提高了絞車運行的安全性。

4 結束語

本文主要對煤礦副井控制系統(tǒng)引入四象限高壓變頻器進行設計研究，并通過小青煤礦的現場運行應用驗證了該方法的實際價值。應用四象限高壓變頻器后，副井系統(tǒng)重載平穩(wěn)，運行穩(wěn)定，操作維護簡易，提高了煤礦安全效益；副井由正負力混合提升，變頻器采用再生制動，使提升機變頻器在減速或下放重物時自動轉入向電網饋電狀態(tài)，節(jié)省大量電能，每年節(jié)約電能約40萬度。提高了經濟效益，具有廣闊的實際應用價值。

參考文獻

[1]李方圓.變頻器控制技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]馬修峰.變頻技術在煤礦主通風機設計中的方案優(yōu)化[J].煤礦機電，2010，4.

[3]朱秀斌.基于變頻器調速和 PLC 的風機控制系統(tǒng)的研究[J].煤炭技術，2012，30（12）：69-71.endprint

摘 要：在煤礦中，提升機是生產運行的主要設備。文章中提升機異步電機連接方式為轉子與電阻串聯(lián)，采用四象限矢量控制再生制動型的高壓變頻器調速。此種方法為大功率提升機調速帶來了科技進步。在實際生產試驗中，副井安裝四象限高壓變頻后運行效果良好，真正解決了重載下放問題，同時使減速和重載下放產生的電能及時回饋電網，節(jié)電效果顯著。

關鍵詞：四象限高壓變頻器；提升機；矢量控制；再生制動

1 概述

目前，在煤礦生產中，副井提升機的主要作用是提升人員與物料。提升絞車普遍采用繞線式異步電動機，并采取轉子編碼串電阻的方法調速，該系統(tǒng)為有級調速。但是其相對低速轉矩小，轉差率大，且啟動電流和換擋電流沖擊非常大，同時載物重量多變，使得副井提升系統(tǒng)在速度控制上較為困難；在電阻上消耗了很大能量，且停車位置不準。這種系統(tǒng)不僅能源消耗巨大，并且無法實現精度控制，給煤礦安全生產帶來了很大隱患。

本文中副井提升系統(tǒng)由四象限高壓變頻器控制系統(tǒng)組成，主要結構由變頻單元柜、高壓開關柜、電抗器柜、控制柜、移相變壓器組成[1]。四象限高壓變頻器可四象限運行，采用矢量控制技術，分離電機轉矩電流與勵磁電流并獨立控制，采用速度閉環(huán)與電流閉環(huán)控制，使得轉矩控制動態(tài)響應迅速，從而獲得良好的調速性能。該控制系統(tǒng)節(jié)電效果良好，可使重載下放時不用加配重，避免過卷（過放）事故，并提高了電網容量資源利用率，同時其采用的電力電容壽命長，性能好，耐電壓沖擊，進一步提高了煤礦生產的安全性[2]?？紤]到四象限高壓變頻器運行穩(wěn)定，動態(tài)響應迅速，制動和定位準確等優(yōu)點；經反復調試試驗，完成了副井提升機四象限高壓變頻電控系統(tǒng)的設計[3]。并在鐵法能源公司小青礦的生產中得到了實際應用，結果表明該副井提升控制系統(tǒng)動態(tài)響應速度快，可控性高，制動和定位準確，調速精度高，大大提高了安全可靠性。在煤礦安全生產中具有重要的實際意義。

2 四象限高壓變頻器工作原理

圖1 功率單元主回路原理圖

圖1為四象限功率單元主回路原理。變頻器的逆變與整流側功率器件采用IGBT，選取先進的H橋串聯(lián)高壓變頻理論。當變頻器工作在一、三象限時，電機為電動狀態(tài)，從電網吸收能量；而在二、四象限時，電機為發(fā)電狀態(tài)，產生的電能通過逆變側傳輸到直流母線，達到設定電壓時即可完成直-交變換，并通過控制逆變側電壓相位與幅值回饋給電網優(yōu)質的電能。

高壓變頻器拓撲結構如圖2所示，四象限高壓變頻器功率單元采用交-直-交變頻技術，變頻器控制采用目前應用成熟的PWM脈寬調試方式，使系統(tǒng)具有較高的動態(tài)響應能力與較低的開關損耗。根據煤礦生產特點，變頻系統(tǒng)電壓為6kv，采取三相18個功率單元結構，將每相額定電壓為580V的6個功率單元相互串聯(lián)；這樣從電網傳輸的三相6kV交流電可經由隔離移相變壓器二次繞組至單個功率單元。各功率單元串聯(lián)成三相Y型連接，供給電動機6kV電壓。

2.1 變頻器輸出側

變頻器輸出側由每個變頻功率單元的兩個交流輸出端子依次串聯(lián)，分別形成U、V、W相，再接成Y型，給高壓電動機直接供電。

實際控制中，可通過本相上的6個功率單元輸出SPWM波相互疊加得到正弦波，并且即使在低速下輸出也能保持良好的波形，避免了由輸出諧波電流引起的電機發(fā)熱和轉矩脈動及電機振動等一系列問題。

實測高壓變頻器輸出電壓、電流波形：

圖3 高壓變頻器輸出電壓 圖4 高壓變頻器輸出電流

2.2 變頻器輸入側

輸入側是將6KV高壓經過高壓開關柜加到移相隔離變壓器的原邊，再由移相隔離變壓器的副邊分為多組并通過移相之后分給每個變頻功率單元獨立供電。這種結構使整流輸出波形由幾十個脈沖波序列構成多級移相疊加，可使電網側的電流波形顯著提高，功率因數達到到0.95以上。

實測高壓變頻器輸入電壓、電流波形：

圖5 高壓變頻器輸入電壓 圖6 高壓變頻器輸入電流

3 四象限變頻器整機現場重物下放測試

副井提升機絞車電機有關參數：電動機型號：YR118/44-10 ；電動機容量：2×630KW；定子電流：2×76.3A ；定子電壓：6000V；轉子電壓：895V；轉子電流：438A；轉速：592轉/分。

試驗過程：2012年10月5日由小青礦機電科、運轉隊、榮信電力電子股份有限公司技術人員和天津深藍電控設備技術有限公司技術人員共同做載重試驗。 副井使用高壓變頻載重試驗結果如下表1。

經過裝載重量的變化及提升速度的變化試驗，每次負力下放，變頻設備運行均平穩(wěn)可靠，到減速點后均能按要求減速至0.5m/s以下，司機可平穩(wěn)帶閘停車。此時變頻設備可滿足絞車負力下放的正常操作，可避免因誤操作或負力下放所產生的事故，提高了絞車運行的安全性。

4 結束語

本文主要對煤礦副井控制系統(tǒng)引入四象限高壓變頻器進行設計研究，并通過小青煤礦的現場運行應用驗證了該方法的實際價值。應用四象限高壓變頻器后，副井系統(tǒng)重載平穩(wěn)，運行穩(wěn)定，操作維護簡易，提高了煤礦安全效益；副井由正負力混合提升，變頻器采用再生制動，使提升機變頻器在減速或下放重物時自動轉入向電網饋電狀態(tài)，節(jié)省大量電能，每年節(jié)約電能約40萬度。提高了經濟效益，具有廣闊的實際應用價值。

參考文獻

[1]李方圓.變頻器控制技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]馬修峰.變頻技術在煤礦主通風機設計中的方案優(yōu)化[J].煤礦機電，2010，4.

[3]朱秀斌.基于變頻器調速和 PLC 的風機控制系統(tǒng)的研究[J].煤炭技術，2012，30（12）：69-71.endprint

摘 要：在煤礦中，提升機是生產運行的主要設備。文章中提升機異步電機連接方式為轉子與電阻串聯(lián)，采用四象限矢量控制再生制動型的高壓變頻器調速。此種方法為大功率提升機調速帶來了科技進步。在實際生產試驗中，副井安裝四象限高壓變頻后運行效果良好，真正解決了重載下放問題，同時使減速和重載下放產生的電能及時回饋電網，節(jié)電效果顯著。

關鍵詞：四象限高壓變頻器；提升機；矢量控制；再生制動

1 概述

目前，在煤礦生產中，副井提升機的主要作用是提升人員與物料。提升絞車普遍采用繞線式異步電動機，并采取轉子編碼串電阻的方法調速，該系統(tǒng)為有級調速。但是其相對低速轉矩小，轉差率大，且啟動電流和換擋電流沖擊非常大，同時載物重量多變，使得副井提升系統(tǒng)在速度控制上較為困難；在電阻上消耗了很大能量，且停車位置不準。這種系統(tǒng)不僅能源消耗巨大，并且無法實現精度控制，給煤礦安全生產帶來了很大隱患。

本文中副井提升系統(tǒng)由四象限高壓變頻器控制系統(tǒng)組成，主要結構由變頻單元柜、高壓開關柜、電抗器柜、控制柜、移相變壓器組成[1]。四象限高壓變頻器可四象限運行，采用矢量控制技術，分離電機轉矩電流與勵磁電流并獨立控制，采用速度閉環(huán)與電流閉環(huán)控制，使得轉矩控制動態(tài)響應迅速，從而獲得良好的調速性能。該控制系統(tǒng)節(jié)電效果良好，可使重載下放時不用加配重，避免過卷（過放）事故，并提高了電網容量資源利用率，同時其采用的電力電容壽命長，性能好，耐電壓沖擊，進一步提高了煤礦生產的安全性[2]。考慮到四象限高壓變頻器運行穩(wěn)定，動態(tài)響應迅速，制動和定位準確等優(yōu)點；經反復調試試驗，完成了副井提升機四象限高壓變頻電控系統(tǒng)的設計[3]。并在鐵法能源公司小青礦的生產中得到了實際應用，結果表明該副井提升控制系統(tǒng)動態(tài)響應速度快，可控性高，制動和定位準確，調速精度高，大大提高了安全可靠性。在煤礦安全生產中具有重要的實際意義。

2 四象限高壓變頻器工作原理

圖1 功率單元主回路原理圖

圖1為四象限功率單元主回路原理。變頻器的逆變與整流側功率器件采用IGBT，選取先進的H橋串聯(lián)高壓變頻理論。當變頻器工作在一、三象限時，電機為電動狀態(tài)，從電網吸收能量；而在二、四象限時，電機為發(fā)電狀態(tài)，產生的電能通過逆變側傳輸到直流母線，達到設定電壓時即可完成直-交變換，并通過控制逆變側電壓相位與幅值回饋給電網優(yōu)質的電能。

高壓變頻器拓撲結構如圖2所示，四象限高壓變頻器功率單元采用交-直-交變頻技術，變頻器控制采用目前應用成熟的PWM脈寬調試方式，使系統(tǒng)具有較高的動態(tài)響應能力與較低的開關損耗。根據煤礦生產特點，變頻系統(tǒng)電壓為6kv，采取三相18個功率單元結構，將每相額定電壓為580V的6個功率單元相互串聯(lián)；這樣從電網傳輸的三相6kV交流電可經由隔離移相變壓器二次繞組至單個功率單元。各功率單元串聯(lián)成三相Y型連接，供給電動機6kV電壓。

2.1 變頻器輸出側

變頻器輸出側由每個變頻功率單元的兩個交流輸出端子依次串聯(lián)，分別形成U、V、W相，再接成Y型，給高壓電動機直接供電。

實際控制中，可通過本相上的6個功率單元輸出SPWM波相互疊加得到正弦波，并且即使在低速下輸出也能保持良好的波形，避免了由輸出諧波電流引起的電機發(fā)熱和轉矩脈動及電機振動等一系列問題。

實測高壓變頻器輸出電壓、電流波形：

圖3 高壓變頻器輸出電壓 圖4 高壓變頻器輸出電流

2.2 變頻器輸入側

輸入側是將6KV高壓經過高壓開關柜加到移相隔離變壓器的原邊，再由移相隔離變壓器的副邊分為多組并通過移相之后分給每個變頻功率單元獨立供電。這種結構使整流輸出波形由幾十個脈沖波序列構成多級移相疊加，可使電網側的電流波形顯著提高，功率因數達到到0.95以上。

實測高壓變頻器輸入電壓、電流波形：

圖5 高壓變頻器輸入電壓 圖6 高壓變頻器輸入電流

3 四象限變頻器整機現場重物下放測試

副井提升機絞車電機有關參數：電動機型號：YR118/44-10 ；電動機容量：2×630KW；定子電流：2×76.3A ；定子電壓：6000V；轉子電壓：895V；轉子電流：438A；轉速：592轉/分。

試驗過程：2012年10月5日由小青礦機電科、運轉隊、榮信電力電子股份有限公司技術人員和天津深藍電控設備技術有限公司技術人員共同做載重試驗。 副井使用高壓變頻載重試驗結果如下表1。

經過裝載重量的變化及提升速度的變化試驗，每次負力下放，變頻設備運行均平穩(wěn)可靠，到減速點后均能按要求減速至0.5m/s以下，司機可平穩(wěn)帶閘停車。此時變頻設備可滿足絞車負力下放的正常操作，可避免因誤操作或負力下放所產生的事故，提高了絞車運行的安全性。

4 結束語

本文主要對煤礦副井控制系統(tǒng)引入四象限高壓變頻器進行設計研究，并通過小青煤礦的現場運行應用驗證了該方法的實際價值。應用四象限高壓變頻器后，副井系統(tǒng)重載平穩(wěn)，運行穩(wěn)定，操作維護簡易，提高了煤礦安全效益；副井由正負力混合提升，變頻器采用再生制動，使提升機變頻器在減速或下放重物時自動轉入向電網饋電狀態(tài)，節(jié)省大量電能，每年節(jié)約電能約40萬度。提高了經濟效益，具有廣闊的實際應用價值。

參考文獻

[1]李方圓.變頻器控制技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]馬修峰.變頻技術在煤礦主通風機設計中的方案優(yōu)化[J].煤礦機電，2010，4.

[3]朱秀斌.基于變頻器調速和 PLC 的風機控制系統(tǒng)的研究[J].煤炭技術，2012，30（12）：69-71.endprint