交-直-交變頻器在礦井提升機(jī)上的應(yīng)用

閆 偉

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

提升機(jī)為綜采工作面的主要提升設(shè)備，肩負(fù)著煤礦煤炭、矸石、設(shè)備以及人員的運(yùn)送任務(wù)。在實(shí)際提升任務(wù)中需根據(jù)運(yùn)輸對(duì)象和重量等對(duì)提升速度進(jìn)行分級(jí)調(diào)速控制，通過傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)差異繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方式實(shí)現(xiàn)上述功能，該種控制方式雖然設(shè)備構(gòu)成簡(jiǎn)單、控制方便，但是其能耗較大且機(jī)械特性較軟，而且還屬于有級(jí)調(diào)速，并不能夠滿足提升機(jī)實(shí)際提升任務(wù)的需求。提升機(jī)對(duì)應(yīng)的負(fù)載屬于位勢(shì)負(fù)載，其控制系統(tǒng)要求具有較硬的機(jī)械特性，可在滿載狀態(tài)下啟動(dòng)，滿足各種工況的無級(jí)調(diào)速等功能[1]。本文將交-直-交變頻器應(yīng)用于提升機(jī)的提升任務(wù)中，并對(duì)其中涉及到的無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。

1 提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)性能研究

本文所述的交-直-交變頻器具體指的是ABB ACS6000 直接轉(zhuǎn)矩控制能量回饋型變頻器，該變頻器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，ACS6000 變頻器其中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括有PWM 整流器、逆變器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器、磁鏈滯環(huán)比較器、扇形判斷器、轉(zhuǎn)矩模型和勵(lì)磁電流模型等。根據(jù)控制任務(wù)需求，交-直-交變頻器可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈的控制、轉(zhuǎn)矩的控制和勵(lì)磁電流的控制。其中，基于PWM 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速功能，從而滿足提升機(jī)在加速提升、等速運(yùn)行、停車減速以及低速爬行四個(gè)階段的運(yùn)行要求[2]。

圖1 交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)提升機(jī)無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制需求，基于交-直-交變頻器的無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)除了核心的ABB ACS6000 直接轉(zhuǎn)矩控制能量回饋型變頻器外，還包括有整流單元、進(jìn)線濾波單元、中間直流單元、逆變單元、勵(lì)磁整流單元、水冷單元、定子整流單元、勵(lì)磁整流單元等。其中，無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)的供電單元為ARU 可逆整流器、采用逆變器實(shí)現(xiàn)具體的頻率控制功能、采用同步機(jī)完成直接轉(zhuǎn)矩控制功能[3]。在上述各單元控制的基礎(chǔ)上，保證無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)滿足如表1 所示的性能。

表1 無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速性能

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)以交-直-交變頻器為核心的無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)中涉及到的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括脈寬調(diào)制整流器、勵(lì)磁整流裝置、逆變器等設(shè)備的設(shè)計(jì)，還對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)

2.1.1 脈寬調(diào)制整流器

脈寬調(diào)制整理器的主要任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)的功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)機(jī)理為：通過對(duì)三相電壓的相位和幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流大小和相位的調(diào)節(jié)，其控制原理如圖2 所示。

圖2 整流器直流電壓控制原理圖

圖2 中脈寬調(diào)制整流器采用直流電壓閉環(huán)控制、電流有功分量控制及無功電流閉環(huán)控制的理念實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流相位和大小的控制。在實(shí)際控制中，只要設(shè)置電流為0，即可保證系統(tǒng)輸出功率因數(shù)為1。

2.1.2 勵(lì)磁整流裝置

勵(lì)磁整流裝置的主要功能也是對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，其控制路徑為勵(lì)磁電流電路和電流控制電路。

勵(lì)磁電流電路的核心為勵(lì)磁整流變壓器和三相主控橋，該電路輸出的電壓值最高可達(dá)到800 V。而本交直交變頻器的無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)的勵(lì)磁額定電壓值僅為220 V。也就是說，本系統(tǒng)的勵(lì)磁電流電路具有極大的電磁慣性時(shí)間常數(shù)，可保證勵(lì)磁電流隨著定子的變化而實(shí)時(shí)變化，確保氣隙磁鏈的穩(wěn)定性[4]。

本系統(tǒng)的電流控制電路為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)的電路圖如圖3 所示，電流控制電路通過其中的比例積分調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電路上電流的無靜差調(diào)節(jié)?？刂埔罁?jù)為勵(lì)磁電路上經(jīng)由分流器和隔離放大器A6032所反饋的電流。

圖3 電流控制電路圖

2.1.3 逆變器

逆變器的主要功能是對(duì)系統(tǒng)電路對(duì)應(yīng)的輸出電路的高頻分量進(jìn)行去除。因此，逆變器控制電路包括有主控制器AMC3（對(duì)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)中的同步電機(jī)進(jìn)行控制）、帶有DDCS 分配器的傳動(dòng)控制系統(tǒng)、INT2 接口板、轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元（對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)）、轉(zhuǎn)子軸角度檢測(cè)單元、勵(lì)磁電流控制板、輸入輸出口遠(yuǎn)程接口站、光通道連接裝置等。

2.2 控制策略的設(shè)計(jì)

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合提升機(jī)的特殊運(yùn)輸需求，在一般提升工況中將其分為加速提升、等速運(yùn)行、停車減速以及低速爬行四個(gè)階段，對(duì)應(yīng)如圖4 所示。

圖4 提升機(jī)變頻調(diào)速速度控制曲線

如圖4 所示，a1為加速提升階段的加速度值，一般取a1=0.75 m/s2；a2為停車減速階段的減速度值，一般取a2=1 m/s2。為保證交-直-交變頻器無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠滿足提升機(jī)各種工況的控制需求，采用簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制工藝存在一定的轉(zhuǎn)速跟蹤控制誤差，從而導(dǎo)致提升機(jī)停機(jī)不及時(shí)造成事故的發(fā)生[5]。為此，針對(duì)提升機(jī)的穩(wěn)定、安全控制需求，采用復(fù)合控制方案對(duì)提升機(jī)的速度進(jìn)行控制，其對(duì)應(yīng)的復(fù)合控制系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖5 所示，復(fù)合控制系統(tǒng)是在基本閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加力矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升速度的精確、實(shí)時(shí)控制。

3 無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)的操作及應(yīng)用

針對(duì)提升機(jī)無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制，可通過遠(yuǎn)程控制和本地控制兩種方案實(shí)施。其中，本地控制模式是對(duì)控制柜門上的按鈕和開關(guān)進(jìn)行控制；遠(yuǎn)程控制模式為上位機(jī)通過控制指令對(duì)主斷路器等相關(guān)電氣設(shè)備進(jìn)行控制。針對(duì)本地控制，可對(duì)提升機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、停機(jī)、緊急斷電和相關(guān)硬件電路進(jìn)行操控。

目前，基于交直交變頻器的無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于屯蘭礦的提升系統(tǒng)中，自投入生產(chǎn)以來：提升機(jī)系統(tǒng)可穩(wěn)定、安全運(yùn)行，各項(xiàng)控制指令均滿足提升機(jī)各工況的提升要求。同時(shí)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)提升機(jī)速度和電機(jī)電流的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以得出：提升機(jī)的提升速度可按照預(yù)期的給定速度曲線運(yùn)行；其在重載工況下也可穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)的輸出功率因數(shù)一直可穩(wěn)定控制在1；在實(shí)際應(yīng)用中，未出現(xiàn)電流沖擊現(xiàn)象，不存在電網(wǎng)諧波污染現(xiàn)象等問題，具有較好的節(jié)能效果。

4 結(jié)語

提升機(jī)作為煤礦的主要提升設(shè)備之一，需按照“四階段”給定的速度曲線運(yùn)行，以保證提升效率和安全性。傳統(tǒng)采用串電阻的調(diào)速方式節(jié)能效果較差，且僅能實(shí)現(xiàn)有極調(diào)速，并不能夠滿足提升機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)需求。為此，本文以交直交變頻器為核心設(shè)計(jì)了無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)，并在綜合控制工藝的支撐下，該無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有地諧波、低損耗的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，該無級(jí)變頻調(diào)速系統(tǒng)與傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)相比不需要引入濾波器、無功補(bǔ)償裝置、熔斷器、斷路器等設(shè)備，節(jié)約了設(shè)備成本和占地面積?？偟膩碇v，交直交變頻器在提升機(jī)中的應(yīng)用可極大增加提升系統(tǒng)的提升效率、安全性；具有明顯的節(jié)能效果和節(jié)約成本的效果，可大力推廣應(yīng)用。