李陽(yáng)煤業(yè)副立井提升機(jī)三電平變頻控制技術(shù)應(yīng)用

戴文琦

(晉能控股集團(tuán) 和順李陽(yáng)煤業(yè)有限公司，山西 和順 032700)

礦井提升機(jī)作為礦山最復(fù)雜的電力傳動(dòng)裝備之一,其工作可靠性、運(yùn)行效率、調(diào)速性能是礦山高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素,電機(jī)節(jié)能，特別是大型電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能是降低國(guó)家能源消耗的重要手段。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，大功率變頻調(diào)速技術(shù)不斷成熟，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)將使不經(jīng)濟(jì)的工況運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)樽罴训墓r運(yùn)行，控制精確、簡(jiǎn)潔，節(jié)能十分可觀，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。目前交交變頻技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已不再推廣，基于二極管箝位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交直交變頻系統(tǒng)已成為大功率交流電機(jī)控制的主要系統(tǒng)。

1 二極管箝位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)

三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有二極管箝位式、電容箝位式和級(jí)聯(lián)型三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。李陽(yáng)煤業(yè)副立井提升變頻系統(tǒng)采用二極管箝位式多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它能有效地提高換流系統(tǒng)的耐壓、降低輸出電壓諧波和開(kāi)關(guān)損耗。二極管箝位型三電平逆變器的三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二極管箝位型三電平逆變器的三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

每相橋臂共有4個(gè)開(kāi)關(guān)管，上橋臂和下橋臂各由2個(gè)開(kāi)關(guān)管串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)開(kāi)關(guān)管都反并聯(lián)1個(gè)二極管。直流側(cè)兩個(gè)電容串聯(lián)分割了直流母線電壓。三電平逆變電路輸出電壓數(shù)比兩電平逆變電路多，所以它的輸出電壓諧波含量減少了。由于三電平逆變電路的每個(gè)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，所承受的電壓為直流側(cè)電壓的一半，所以三電平逆變電路適用于高壓大容量的場(chǎng)合。

三電平變頻器的等效開(kāi)關(guān)頻率為同等容量的兩電平變頻器開(kāi)關(guān)頻率的2倍，在開(kāi)關(guān)頻率一定的情況下，三電平變頻器所含高次諧波的頻率更高，因此使得系統(tǒng)濾波器設(shè)計(jì)更加容易，同時(shí)體積也減小一半，系統(tǒng)中紅濾波器所產(chǎn)生的損耗也隨之降低。另外三電平變頻器在交流端輸出的線電壓具有5個(gè)電平等級(jí)，比兩電平的輸出線電壓波形更接近正弦波波形，質(zhì)量更好[1]。在三電平變頻系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中，每一相橋臂的4個(gè)功率器件在半個(gè)工頻周期內(nèi)必然存在常開(kāi)或者常閉的情況，由于在半個(gè)周期內(nèi)保持常開(kāi)或者常閉，因此這些器件將只存在通態(tài)損耗而沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗。在系統(tǒng)母線電壓相同的情況下，三電平變頻器每只功率器件的開(kāi)關(guān)應(yīng)力也僅有兩電平的一半。

2 二極管箝位式三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)

2.1 三電平變頻調(diào)速電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

李陽(yáng)煤業(yè)副立井作為運(yùn)人與運(yùn)料的提升立井，安裝有1臺(tái)JKMD4×4P型摩擦落地式提升機(jī)。該立井提升機(jī)采用1 200 kW/1 140 V大功率同步雙線組電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，提升機(jī)電控系統(tǒng)采用中礦傳動(dòng)出品的ASCS-8三電平變頻調(diào)速電控系統(tǒng)。

李陽(yáng)煤業(yè)副立井提升三電平變頻調(diào)速電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 李陽(yáng)煤業(yè)副立井提升系統(tǒng)三電平變頻調(diào)速電控系統(tǒng)圖

ASCS-8三電平變頻調(diào)速電控系統(tǒng)基于數(shù)字化、自動(dòng)化等先進(jìn)技術(shù)，采用“交流同步電機(jī)+三電平變頻調(diào)速+多PLC冗余控制+上位機(jī)監(jiān)控”全數(shù)字電控系統(tǒng)的控制模式，系統(tǒng)由高壓電源、低壓電源、定子電路(2臺(tái)定子整流變壓器、2臺(tái)變頻器)、勵(lì)磁電路(勵(lì)磁整流變壓器、勵(lì)磁整流柜)、切換柜、全數(shù)字調(diào)節(jié)柜、 PLC控制柜、控制臺(tái)、上位機(jī)、編碼器與井筒開(kāi)關(guān)等組成。

ASCS-8型大功率同步電機(jī)三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)能完成速度閉環(huán)、電流閉環(huán)、矢量控制等功能，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制和速度調(diào)節(jié)。主要用于控制交流同步電機(jī)拖動(dòng)的提升機(jī)，在井筒中按工藝要求啟動(dòng)、加速、等速、減速、爬行及停止運(yùn)行。

2.2 三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)及創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)采用二極管箝位式三電平PWM整流器，為主電路拓?fù)洌娋W(wǎng)電壓定向，直接電流控制。采用了新穎的優(yōu)化三電平SVPWM算法，在簡(jiǎn)化運(yùn)算量的同時(shí)很好地進(jìn)行了中點(diǎn)電位控制，提高網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)的同時(shí)電流波形呈正弦，并成功實(shí)現(xiàn)了PWM整流器的四象限運(yùn)行。采用背靠背雙三電平結(jié)構(gòu)可按照“電網(wǎng)—變頻器—電機(jī)”一體化方式進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，在實(shí)現(xiàn)高性能矢量控制的同時(shí)，對(duì)于網(wǎng)側(cè)諧波含量、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)均有良好控制效果。

系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)：

1) 電控裝置的靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)滿(mǎn)足提升機(jī)四象限運(yùn)行的要求，并預(yù)留滿(mǎn)足工藝要求的過(guò)載能力和安全富裕系數(shù)。

2) 調(diào)節(jié)、監(jiān)視、控制等電路均采用電氣模塊插件，能方便地更換備件，具有良好的維護(hù)性和可拓展能力。井筒和井下設(shè)備均選用防爆型，具有MA標(biāo)志及防水性能。

3) 速度測(cè)量、安全回路等關(guān)鍵電路采用冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。安全回路具有PLC控制回路及繼電器直動(dòng)回路冗余控制，提高系統(tǒng)的安全可靠性。

4) 電控系統(tǒng)應(yīng)具有緊急開(kāi)車(chē)功能，在電控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，在確保安全的前提下，可實(shí)現(xiàn)提升機(jī)低速運(yùn)行。

5) 提升系統(tǒng)工作及故障狀態(tài)除配置大屏幕彩色顯示器外，還在顯示臺(tái)上設(shè)有光字牌顯示。

3 應(yīng)用情況

3.1 三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)控制效果及其運(yùn)行曲線

本節(jié)將給出三電平調(diào)速系統(tǒng)相應(yīng)的運(yùn)行曲線和參數(shù)波形，并對(duì)其控制效果做出分析。

圖3為系統(tǒng)運(yùn)行全過(guò)程的網(wǎng)側(cè)電流波形，在整個(gè)提升周期內(nèi)，系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)電流的正弦度良好，加減速階段變化平滑，系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)注入的諧波電流低。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行全過(guò)程網(wǎng)側(cè)電流波形圖

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入勻速運(yùn)行以后，對(duì)網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行諧波分析(見(jiàn)圖4)，三相電流的總畸變率分別5.0%、4.8%、5.3%，基本滿(mǎn)足國(guó)家電能質(zhì)量諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.2 三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用效果

李陽(yáng)煤業(yè)副立井提升機(jī)采用雙三電平二極管箝位變頻控制技術(shù)，主要用于控制交流同步電機(jī)拖動(dòng)的提升機(jī)在井筒中按工藝要求啟動(dòng)、加速、等速、減速、爬行及停止運(yùn)行，取得了良好的使用效果。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)諧波分析

1) 控制同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)提升機(jī)運(yùn)行，節(jié)省了減速機(jī)的成本和維護(hù)費(fèi)用。

2) 使用雙繞組電機(jī)，通過(guò)繞組切換可在1臺(tái)變頻器故障的情況下實(shí)現(xiàn)全載半速運(yùn)行，提高了提升機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定可靠性。

3) 電控系統(tǒng)整體控制技術(shù)先進(jìn)，故障率低，電控系統(tǒng)具有的自診斷和故障查詢(xún)功能，可幫助檢修人員在故障情況下快速判斷故障點(diǎn)并及時(shí)處理故障。

4) 提升系統(tǒng)具有多種運(yùn)行方式，自動(dòng)化程度高，減輕了操作人員的操作負(fù)擔(dān)。減少了因操作人員操作失誤導(dǎo)致的故障。

5) 整個(gè)系統(tǒng)諧波分量小，具有功率因數(shù)調(diào)節(jié)功能，減少了對(duì)電網(wǎng)的諧波危害，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，節(jié)約電能。

綜上所述，李陽(yáng)煤業(yè)副立井作提升機(jī)ASCS-8電交流提升機(jī)全數(shù)字變頻電控系統(tǒng)基于二極管嵌位式三電平變頻控制技術(shù)，采用 “交流同步電機(jī)+三電平變頻調(diào)速+多PLC冗余控制+上位機(jī)監(jiān)控”全數(shù)字電控系統(tǒng)。其動(dòng)態(tài)性能滿(mǎn)足提升機(jī)四象限運(yùn)行要求，具有控制技術(shù)先進(jìn)、保護(hù)功能齊全、對(duì)電網(wǎng)的諧波危害小等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約成本與電能、故障率低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠的目的，滿(mǎn)足了李陽(yáng)煤業(yè)副立井提矸，運(yùn)送人員、材料、設(shè)備出入井的生產(chǎn)要求，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。