高壓變頻調(diào)速技術(shù)在礦井提升機中的應(yīng)用

摘 要：針對礦井提升機中采用轉(zhuǎn)子串電阻，晶閘管調(diào)速等傳統(tǒng)調(diào)速方式存在的問題，分析了采用高壓變頻調(diào)速代替原有電控系統(tǒng)，并介紹了高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及特點，應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)不僅提高了電控系統(tǒng)控制精度及調(diào)速性能，而且有效的提升了礦井提升機的工作效率與安全性能。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器；提升機；調(diào)速

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.040

0 引言

礦井提升機是礦山生產(chǎn)的重要運輸設(shè)備，因此，礦井提升機控制系統(tǒng)必須具有安全可靠、運行高效且定位準確的能力。直流電機雖然具有良好的調(diào)速性能，但是其結(jié)構(gòu)復雜，電刷和換向器故障較多，能耗大，所以逐漸被交流變頻調(diào)速系統(tǒng)所取代。高壓變頻器具有調(diào)速性能好、功率因數(shù)高、諧波電流小、能量可雙向流動，可節(jié)能30%以上，成為國家節(jié)能工程重點推廣技術(shù)。采用交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為礦井提升機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 礦井提升機的調(diào)速系統(tǒng)比較

1.1 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

交流單機、雙機拖動的提升系統(tǒng)目前仍然大量地采用繞線電機轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻的調(diào)速方式，此調(diào)速方式存在的問題 ：（1）轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)5至10級電阻，一部分功率消耗在電阻上，能耗高，結(jié)構(gòu)復雜，體積大；（2）調(diào)速屬于有極調(diào)速，造成運行不平穩(wěn)，易引起電氣和機械沖擊 ；（3）重物下放狀態(tài)無法通過轉(zhuǎn)子電阻在額定轉(zhuǎn)速以下運行；（4）繞線電機滑環(huán)存在接觸不良，容易引起設(shè)備故障；（5）功率因數(shù)低。

1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)

直流電機調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣，易于實現(xiàn)平滑調(diào)速，并且啟動和制動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強等優(yōu)點，但仍有不足之處：

（1）與同容量，同轉(zhuǎn)速的交流電機相比，直流電機造價高，體積大；（2）直流電機存在電刷和換向器，結(jié)構(gòu)和制造工藝復雜，較交流電機故障率高，維護工作量大、維護費用高；（3）以晶閘管整流設(shè)備為基礎(chǔ)的直流調(diào)速系統(tǒng)的諧波污染嚴重，功率因數(shù)低，對電網(wǎng)造成諧波污染大。

1.3 變頻調(diào)速

交流變頻調(diào)速是把工頻50Hz交流電轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可調(diào)的交流電，從而改變交流電機的電壓和頻率，達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。提升機高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由高壓變頻器、高壓交流電機、調(diào)速控制系統(tǒng)組成。它的優(yōu)點是可根據(jù)負載的變化實現(xiàn)自動、平滑調(diào)速；可以在線直接啟動，而且啟動電流小，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動沖擊小；保護功能完善；節(jié)能效果明顯。采用變頻調(diào)速后，風機、泵類負載的節(jié)能效果最明顯，節(jié)電率據(jù)有關(guān)資料查詢可達到70%。另外對電動機的—些參數(shù)做到補償，對電源的缺相、欠壓、過壓、過流等都能做到及時、準確的檢測，而自動采取相應(yīng)的措施保護電動機，這對煤礦提升機工作穩(wěn)定性尤為重要。

2 礦井提升機高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

礦井提升機由于功率大，低壓電機不能滿足要求，因此通常采用高壓電機與高壓變頻器和控制系統(tǒng)組成提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2.1 高壓電機

目前，對于我國大功率礦井提升機而言，當單機容量在1000 kw及以下時，多數(shù)采用高壓交流繞線式異步電動機拖動；當單機功率大于2500 kw及其以上時，采用高壓同步電動機拖動居多。

高壓電動機是指額定電壓在1000V以上的電動機，常用的是6kv和10kv電壓，由于國外電網(wǎng)的不同，也有3.3kv和6.6kv的電壓等級。高壓電機的產(chǎn)生是由于電機功率與電壓和電流的乘積成正比，因此低壓電機功率增大到一定程度（如300kw/380v），電流受到導線的允許承受能力的限制就難以做大，或成本過高，需要通過提高電壓實現(xiàn)大功率輸出。高壓電機的特點是功率大，承受沖擊能力強；缺點是慣性大，啟動和制動困難。

高壓交流電機有異步電機和同步電機，由于同步電機具有功率因數(shù)高、變頻容量小、動態(tài)性能好等顯著優(yōu)點，國際上2000kW以上大功率變頻調(diào)速多趨向于同步電機。對于之前同步電機阻尼繞組容易燒毀的難題，對同步電機進行改造，為阻尼電流設(shè)計的合理的通路，使國產(chǎn)高壓變頻同步電機研制成功。

2.2 高壓變頻器

高壓變頻器系統(tǒng)技術(shù)復雜，涉及電力電子、自動控制和電機等多個學科領(lǐng)域，該技術(shù)被少數(shù)國外大公司所壟斷，大型高壓變頻器長期依賴進口，不僅成本高，而且一旦出現(xiàn)故障更換配件和維修周期長，嚴重影響生產(chǎn)。為此，國家把高壓變頻調(diào)速裝備國產(chǎn)化列為重大技術(shù)攻關(guān)項目。

高壓變頻器的主要問題是大功率、高電壓、大電流、高效率和高可靠性，而變頻技術(shù)主要取決于電力電子器件的發(fā)展。目前，高壓變頻器主要器件是晶閘管、絕緣柵雙極晶體管IGBT、集成門級換向晶閘管IGCT。常用的高壓變頻器主要結(jié)構(gòu)是由IGBT大功率器件組成三電平，五電平，級聯(lián)多電平等變頻系統(tǒng)。目前，國內(nèi)應(yīng)用較多的是級聯(lián)多電平變頻系統(tǒng)。

級聯(lián)多電平變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由若干個基本逆變單元通過串聯(lián)連接而形成單相和三相逆變器，使每個逆變單元的輸出電壓進行疊加，可以得到需要的6kv，10kv高壓輸出。功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有的功率單元可以互換，易于移動、拆裝和現(xiàn)場維修。

圖1是級聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)，其額定輸出電壓為6KV的高壓變頻器，每相由6個額定電壓為577v的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達3462V，線電壓可達6KV左右，每個功率單元承受全部的輸出電流，但只提供l/6的相電壓和l/1 8的輸出功率。

2.3 高壓變頻器功率單元結(jié)構(gòu)

通過由二級管組成的三相整流橋式電路，將三相交流電全波整流成直流電，當功率單元額定電壓為577V時，直流母線電壓為800V左右。再通過濾波電容濾平全波整流后的電壓波紋，并且當負載變化時保持直流電壓平穩(wěn)。逆變器由4個耐壓為1700V的逆變管模塊組成橋式單相逆變電路，是變頻器實現(xiàn)變頻的具體執(zhí)行環(huán)節(jié)，在O1和O2兩端得到變壓變頻的交流輸出，輸出電壓為單相交流577V頻率為0-50Hz（根據(jù)電動機的額定功率，可以相應(yīng)的調(diào)整，最高可達120Hz）。由于電動機繞組是電感性的，其電流具有無功分量，采用二極管為無功電流返回直流電源提供通道，并且當頻率下降，電動機處于再生制動狀態(tài)時，再生電流通過整流后反饋給直流電路。endprint

逆變器輸出采用多電平移相式PWM控制技術(shù)，即脈沖幅度調(diào)節(jié)方式。它的特點是變頻器在改變輸出頻率的同時，也改變了電壓的脈沖頻率和占空比。通過改變脈沖寬度就可以改變輸出電壓幅值；改變調(diào)制周期可以控制輸出頻率，大大減少了負載電流中的高次諧波。所以這種變頻器對電動機沒有特殊的要求，可用于普通的高壓電動機，也可以用于舊電動機，且不必降額使用。

高壓變頻器的輸出電壓是由單元的電壓等級和串聯(lián)數(shù)量決定，單元的電流決定了變頻器的輸出電流。由于串聯(lián)的功率單元較多，所以對功率單元本身的可靠性要求較高。功率單元與主控系統(tǒng)之間通過光纖進行通信，以解決強弱電之間的隔離問題和干擾問題。

3 矢量控制系統(tǒng)

提升機交流異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，要求調(diào)速系統(tǒng)具有高動態(tài)性能。目前應(yīng)用最多是矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，如圖3所示。

矢量控制是一種高性能的異步電機的控制方式，它通過矢量坐標電路控制電機定子電流的大小和相位，把交流電機定子電流分解為磁場分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流分別加以控制，并同時控制兩個分量的幅值和相位，從而控制電機轉(zhuǎn)矩。通過矢量控制方式，實現(xiàn)了交流電機等效直流電機的控制方式，在動靜態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。

4 結(jié)束語

通過對礦井提升機調(diào)速方案的分析可知，交流繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速方案由于存在結(jié)構(gòu)復雜、調(diào)速過程沖擊大、能耗高、維修量大等問題，所以繞線式電機控制提升機系統(tǒng)會隨著時間的推移被淘汰。采用高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)控制的礦井提升機系統(tǒng)，消除了啟動時的機械沖擊，啟動電流小，啟動轉(zhuǎn)矩大，運行平穩(wěn)，功率因數(shù)高，提高了系統(tǒng)安全性，可靠性，在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)最大程度地提高了生產(chǎn)效率，控制精確，使不經(jīng)濟的工況運行轉(zhuǎn)變?yōu)樽罴训墓r運行，節(jié)能效果非常顯著，也符合我們國家提出的節(jié)能減排的要求。

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本項目由河南省青年骨干教師資助項目資助，項目編號：2013GGJS-200.

作者簡介：劉曉玲（1974-），天津武清人，碩士研究生，從事電機與電氣控制、PLC控制教學與研究。endprint