摘要：提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)的主要設(shè)備，生產(chǎn)工藝上要求提升機(jī)必須是調(diào)速的，傳統(tǒng)的異步電機(jī)都是采用轉(zhuǎn)子串電阻的方式調(diào)速。四象限矢量控制再生制動(dòng)型的高壓變頻器，給大功率提升機(jī)調(diào)速帶來(lái)了革命性的進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：四象限 高壓變頻器 提升機(jī) 矢量控制 再生制動(dòng) 電阻制動(dòng) 變頻鼠籠電機(jī)
一、 概述
煤礦提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)的四大件設(shè)備之一，在生產(chǎn)中具有非常重要的地位。煤礦主井提升機(jī)主要作用是提煤，特殊情況下可能需要提升工作人員。煤礦提升機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)性能要求非常高，因?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)性能的好壞，會(huì)影響煤礦的生產(chǎn)效率，嚴(yán)重的甚至能影響煤礦的正常生產(chǎn)，煤礦提升機(jī)電氣系統(tǒng)要求可靠性高，調(diào)速特性硬，調(diào)速精度高，四象限運(yùn)行，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，可以準(zhǔn)確制動(dòng)和定位。
目前國(guó)內(nèi)的煤礦提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要有直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)，這里對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)不詳細(xì)分析，主要闡述交流調(diào)速系統(tǒng)。交流調(diào)速系統(tǒng)分為同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，同步機(jī)主要用交交變頻器調(diào)速，異步電機(jī)主要用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。交直交高壓變頻器進(jìn)入提升系統(tǒng)領(lǐng)域后，同步機(jī)和異步機(jī)的調(diào)速發(fā)展趨勢(shì)是會(huì)統(tǒng)一到交直交高壓變頻調(diào)速。
在高壓變頻器領(lǐng)域，中國(guó)的民族企業(yè)已經(jīng)走在世界的前列，國(guó)產(chǎn)高壓四象限變頻器的性能，已經(jīng)能夠和國(guó)際一些大品牌傳動(dòng)廠商的產(chǎn)品性能相媲美了。在比國(guó)外產(chǎn)品具有更高的性價(jià)比的前提下，產(chǎn)品逐步得到用戶的認(rèn)可，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的占有率迅速提高。
河南神火煤電股份有限公司葛店煤礦在2008年主井?dāng)U建改造時(shí)，將原2.5m絞車更換為2JK-3/11.5E絞車，電控系統(tǒng)采用高壓變頻PLC電控系統(tǒng)。
二、項(xiàng)目改造慨況
1、 設(shè)備技術(shù)參數(shù)
主機(jī)型號(hào)為：2JK-3/11.5E
卷筒尺寸：3000mm×1200mm
提升速度：0-6.88m/s
卷筒數(shù)量：2個(gè)
鋼絲繩最大直徑：Φ36mm
鋼絲繩最大靜壓力差：90kN
盤型閘最大壓力：6.3MPa
盤型閘工作壓力：5 MPa
減速機(jī)型號(hào)：ZZDP900A-Ⅲ
傳動(dòng)比：11.257
電機(jī)型號(hào)：YB630-12
額定功率：710kW
額定電壓：6kV
額定電流：86.4A
功率因數(shù)：0.829
額定轉(zhuǎn)速：496r/min
變頻器型號(hào)：HIVERT-YVF06/096
額定容量：1000kVA
額定輸入電壓：6kV+10% -15%
額定輸入頻率：50Hz±10%
輸出電壓：0-6kV
輸出電流0-96A
過(guò)載倍數(shù)：200%額定轉(zhuǎn)矩1分鐘
控制方式：有速度傳感器的矢量控制
變頻器形式：?jiǎn)卧?lián)多電平電壓源型
運(yùn)行象限：四象限
制動(dòng)方式：再生制動(dòng)
2、 一次回路和控制系統(tǒng)
一次回路采用變頻一用一備的方式提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。一次回路系統(tǒng)圖如圖2所示。
圖2 一次回路圖
控制系統(tǒng)包括制動(dòng)系統(tǒng)，即液壓站和盤型閘；井底井口信號(hào)系統(tǒng)；自動(dòng)裝卸載系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)之間的相互關(guān)系如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)中的裝卸載系統(tǒng)、井底井口信號(hào)系統(tǒng)及液壓站系統(tǒng)和所有的絞車控制系統(tǒng)中使用的區(qū)別不大，主要是傳動(dòng)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子串電阻方式有很大的區(qū)別。
3、變頻調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的比較
1）變頻調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的比較
目前國(guó)內(nèi)交流調(diào)速的主流，還是轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，變頻調(diào)速占比重較小，而且主要還是同步機(jī)的交交變頻調(diào)速，國(guó)內(nèi)的四象限交直交高壓變頻器調(diào)速技術(shù)是在2005年后發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，并且產(chǎn)品迅速成熟，很快成為未來(lái)提升機(jī)調(diào)速的發(fā)展趨勢(shì)，表1是轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和變頻調(diào)速的比較。
表1 轉(zhuǎn)子串電阻和變頻調(diào)速的比較
由以上的比較我們可以看出，在煤礦提升機(jī)上應(yīng)用變頻器，必然是發(fā)展的大趨勢(shì)。
2）變頻器
傳動(dòng)系統(tǒng)采用具有國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的帶編碼器的矢量控制、四象限運(yùn)行、再生制動(dòng)的交直交高壓變頻器。該變頻器具有低頻下啟動(dòng)力矩大，適合恒轉(zhuǎn)矩重載啟動(dòng)型負(fù)載。而主井的提升機(jī)正是這種負(fù)載。電機(jī)采用變頻鼠籠電機(jī)，電機(jī)具有獨(dú)立供電的散熱風(fēng)機(jī)，使得電機(jī)的散熱不受電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，散熱風(fēng)機(jī)受電控系統(tǒng)控制，電機(jī)啟動(dòng)的同時(shí)啟動(dòng)散熱風(fēng)機(jī)。
HIVERT-YVF系列高壓變頻器采用的是和通用高壓變頻器基本一致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為移相整流單元串聯(lián)多電平PWM電壓源電流控制型高壓變頻器。
HIVERT-YVF采用轉(zhuǎn)子帶速度反饋的矢量控制技術(shù)。在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定位坐標(biāo)下電機(jī)定子電流分解成勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流。維持勵(lì)磁電流不變，控制轉(zhuǎn)矩電流也就控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)轉(zhuǎn)速采用閉環(huán)控制。實(shí)際運(yùn)行中給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值通過(guò)PID調(diào)節(jié)生成轉(zhuǎn)矩電流IT。經(jīng)過(guò)矢量變換將IT、IM變換為電機(jī)三相給定電流Ia*、Ib*、Ic*，它們與電機(jī)運(yùn)行電流相比較生成三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
HIVERT-YVF系列變頻器采用的是有速度傳感器的矢量控制。因?yàn)椴捎昧怂俣群洼敵鲭娏麟p閉環(huán)控制，所以電機(jī)的調(diào)速特性非常硬，并且具備額定功率的能量回饋能力，實(shí)現(xiàn)變頻器拖動(dòng)電機(jī)的急起急停，功率單元是一個(gè)輸入側(cè)由濾波環(huán)節(jié)、快熔和緩沖環(huán)節(jié)組成，這些環(huán)節(jié)為功率單元的整流、充電和有源逆變提供了保證。輸入濾波環(huán)節(jié)，濾除了IGBT開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的高次諧波，減小對(duì)電網(wǎng)的污染。緩沖環(huán)節(jié)限制了IGBT電流突變，保證IGBT不受沖擊電流的影響?？烊蹌t是如果單元內(nèi)部出現(xiàn)故障，電流過(guò)大，快熔則會(huì)保護(hù)單元，使單元內(nèi)部電源斷掉，不至于造成更大的損害。同步整流和有源逆變部分的六個(gè)IGBT負(fù)責(zé)在拖動(dòng)電機(jī)的時(shí)候做同步整流，在制動(dòng)電機(jī)的時(shí)候做有源逆變。同步整流控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)單元輸入電壓，利用鎖相控制技術(shù)得到輸入電壓相位和幅值，控制整流逆變開(kāi)關(guān)管所構(gòu)成的相位與輸入電壓的相位差，便可控制電能在電網(wǎng)與功率單元之間的流向。逆變相位超前，功率單元將電能回饋給電網(wǎng)，反之電能由電網(wǎng)注入功率單元。電功率大小與相位差成正比。電能的大小及流向由單元電壓決定，就同步整流而言，整流側(cè)相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)壓電源，與電功率大小及方向相對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)與逆變相位差由單元電壓與單元整定值之間的偏差通過(guò)PID調(diào)節(jié)生成。直流環(huán)節(jié)用電解電容來(lái)濾波。單元輸出用四個(gè)IGBT組成H橋，逆變輸出，串聯(lián)后驅(qū)動(dòng)電機(jī)。圖7是功率單元的整流和有源逆變狀態(tài)的電壓和電流波形。
在電機(jī)處于加速或者勻速時(shí)，變頻器拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，為正力輸出，所以電流和電壓為同頻同相，變頻器處于整流——逆變狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，電能通過(guò)變頻器轉(zhuǎn)換后送給電機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能；當(dāng)電機(jī)處于減速或者負(fù)力下放時(shí)，變頻器制動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，為負(fù)力輸出，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，變頻器處于逆變——有源逆變狀態(tài)，變頻器的輸入電壓電流波形為同頻反向，機(jī)械能通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能，電能通過(guò)變頻器的有源逆變回送到電網(wǎng)上去。
三、 系統(tǒng)運(yùn)行效果
河南神火煤電股份有限公司葛店煤礦主井提升系統(tǒng)自2008年10月份調(diào)試運(yùn)行成功至今，運(yùn)行穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)操作人員采用每周切換一次變頻器的方式，輪流使用兩臺(tái)變頻器，以保持兩臺(tái)變頻器狀態(tài)一致。
葛店礦井深261.9m，系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行后，運(yùn)行一個(gè)循環(huán)為61s，加速段13s，等速段25s，減速段11s，爬行段12s。等速段的速度為6.88m/s，爬行段的速度為1.13m/s。運(yùn)行的速度圖和力圖如 圖8所示。
采用變頻器調(diào)速方式后，運(yùn)行一個(gè)循環(huán)的時(shí)間準(zhǔn)確，不隨負(fù)載變化和操作人員的操作不同而變化。變頻器在使用過(guò)程中，維護(hù)簡(jiǎn)單，只需要定期清理過(guò)濾網(wǎng)，保持變頻器的清潔。變頻器的運(yùn)行效率高達(dá)96%，所以運(yùn)行過(guò)程中發(fā)熱量非常小，電氣室內(nèi)溫升小。
圖8 系統(tǒng)運(yùn)行速度圖和力圖
四、 總結(jié)
隨著高壓變頻器技術(shù)的進(jìn)一步成熟，產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性的進(jìn)一步提高，成本的降低，變頻器在煤礦提升機(jī)中的應(yīng)用，迅速推廣和發(fā)展起來(lái)。
針對(duì)目前國(guó)內(nèi)交流變阻調(diào)速提升機(jī)存在的速度控制性能差、能耗大，不易操作的現(xiàn)狀，研制成功礦井提升機(jī)大功率變頻器，滿足了提升機(jī)的各種運(yùn)行方式，具有調(diào)速性能好、安全可靠、運(yùn)行平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)單、低頻轉(zhuǎn)矩大、節(jié)電效果顯著、功率因數(shù)高、諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)。
尤其是采用了再生制動(dòng)方式的變頻器，使提升機(jī)在減速段或重物下放操作時(shí)變頻器能自動(dòng)轉(zhuǎn)入發(fā)電反饋狀態(tài)，使制動(dòng)更平穩(wěn)，操作更簡(jiǎn)單；有速度傳感器的矢量控制的應(yīng)用，使得變頻器具有低頻轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速平滑、調(diào)速范圍廣、精度高、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；HIVERT-YVF系列變頻器運(yùn)用了通用高壓變頻器的成熟技術(shù)，使得運(yùn)行安全穩(wěn)定、故障率低、基本免維護(hù)，技術(shù)先進(jìn)、保護(hù)齊全，操作方便，節(jié)能效果顯著（與原電阻調(diào)速系統(tǒng)相比，可節(jié)電10%-30％以上），功率因數(shù)高（0.95以上），諧波含量極少，符合國(guó)家對(duì)電網(wǎng)要求的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。
四象限高壓變頻器在交流提升機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻電控系統(tǒng)改造及新提升機(jī)電控系統(tǒng)配置中，提高了礦山提升機(jī)控制技術(shù)和裝備水平。高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)不僅大大提高了礦山交流提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，確保了提升機(jī)高質(zhì)量運(yùn)行，而且其技術(shù)性能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動(dòng)，是交流提升機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展的方向，應(yīng)用前景廣闊。實(shí)現(xiàn)提升全過(guò)程變頻調(diào)速閉環(huán)控制，滿足提升機(jī)各種運(yùn)行工況及特殊載荷運(yùn)行條件，符合《煤礦安全規(guī)程》要求。實(shí)現(xiàn)提升全過(guò)程變頻調(diào)速閉環(huán)控制、無(wú)級(jí)調(diào)速和多速度等級(jí)運(yùn)行，滿足主井、副井提升機(jī)各種運(yùn)行工況及特殊載荷運(yùn)行條件
（轉(zhuǎn)載）
