利德華福的HARSVERT-FVA系列高壓變頻器，幫組提升越南龍興煤礦的提升機系統(tǒng)，降低能耗，提高企業(yè)的產(chǎn)能和安全生產(chǎn)水平。
摘要：變頻改造是礦井提升領(lǐng)域提高工藝水平和節(jié)能的主要手段。本文對高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)合越南光興煤業(yè)有限公司提升機變頻改造的現(xiàn)場，介紹HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在礦井提升系統(tǒng)上的應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞：礦井提升機、高壓變頻器、矢量控制、能量回饋
一、引言
在礦井的各動力設(shè)備中，提升機系統(tǒng)是最為重要、耗能最大的設(shè)備。提升機運行的可靠性直接影響礦井的產(chǎn)能，直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)水平。
長期以來，礦用提升機普遍使用繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻的方法進行調(diào)速控制，該方法雖然成本較低，但轉(zhuǎn)矩脈動大，電機電流大，能耗高，且控制電路復(fù)雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，直接影響到企業(yè)產(chǎn)能和安全生產(chǎn)水平。隨著電力電子與電機控制技術(shù)的發(fā)展，采用變頻調(diào)速的方法可以從根本上解決上述問題。
二、企業(yè)介紹
越南光興煤礦辦公樓
越南光興煤礦為越南工業(yè)部下屬企業(yè)，位于越南錦普市，距離越南著名景點下龍灣僅有20公里，該煤礦在當?shù)赜卸鄠€礦井，此次改造涉及的是其中一個礦的副井，為23度斜角的斜井，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力：90萬噸/年。
三、設(shè)備改造情況
1、改造前的情況
煤礦沒有改造前，電機的調(diào)速方式采用傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速方式，該調(diào)速方式屬于落后技術(shù)，存在以下問題：
（1）提升機頻繁啟動和制動，在加減速過程中轉(zhuǎn)子所串電阻產(chǎn)生相當嚴重的能耗，且串電阻調(diào)速系統(tǒng)存在著占地面積大、發(fā)熱量高、噪聲大等缺點；
（2）串電阻調(diào)速系統(tǒng)控制線路復(fù)雜，工作穩(wěn)定性和可靠性差，缺乏故障診斷功能，排查故障困難；
（3）啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導(dǎo)致電機的使用壽命大大降低；
（4）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速屬有級調(diào)速，調(diào)速范圍受限，調(diào)速精度低，爬行速度不易控制，尤其是重物下放時，需要動力制動與轉(zhuǎn)子串電阻及制動閘配合操作，司機不易控制，安全性能差；
（5）加減速過程轉(zhuǎn)矩脈動大、小車平穩(wěn)性較差、纜繩擺幅較大，人員升降舒適性差；
（6）電機滑環(huán)接觸不良，易引起設(shè)備故障，維護工作量及費用高。
為解決上述問題，實現(xiàn)企業(yè)效益最大化，礦方經(jīng)過考察多個用戶現(xiàn)場提升機變頻器使用情形后，決定選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的四象限能量回饋型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，對副井提升機系統(tǒng)進行技術(shù)改造。這種采用電控臺和高壓變頻器相結(jié)合的控制方案，提高了整個電控系統(tǒng)安全可靠性、控制精度及調(diào)速性能，為用戶提高生產(chǎn)效率的同時，又達到了節(jié)能減耗的目的。
2、改造中的變頻器情況
此次變頻改造選用1臺HARSVERT-FVA06/035高壓變頻器，額定電壓6kV，額定電流35A，額定功率280kW，額定容量350kVA。
HARSVERT-FVA系列高壓變頻器是北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的新一代能量回饋型矢量控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用無網(wǎng)側(cè)電抗器的四象限單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，通過無速度傳感器矢量控制算法對電機進行精確的控制。
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HARSVERT-FVA系列能量回饋型矢量控制高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平的拓撲結(jié)構(gòu)，由旁路柜、激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜和控制柜組成，外觀，各柜體結(jié)構(gòu)所示，主回路拓撲如下列圖所示 。
高壓變頻器現(xiàn)場安裝情況
高壓變頻系統(tǒng)的構(gòu)成
高壓變頻系統(tǒng)主回路拓撲結(jié)構(gòu)
旁路柜的設(shè)置主要是為了在變頻器檢修時能夠與高壓母線形成明顯的斷開點，保證人身及設(shè)備安全。
變頻器上電時沖擊電流可達到額定電流的6-10倍，系統(tǒng)配置的激磁涌流抑制柜內(nèi)設(shè)有真空接觸器和限流電阻，可以有效限制變頻器高壓上電時的充電電流和激磁涌流，保證變頻器高壓上電電流限制在1倍額定電流之內(nèi)，真正實現(xiàn)對電網(wǎng)的零沖擊。具體功用：
（1）消除上電時對IGBT的沖擊，加強可靠性，大大增加設(shè)備使用壽命。
（2）消除上電時對電網(wǎng)的沖擊，避免電網(wǎng)電壓瞬間跌落，干擾其他設(shè)備的正常運行。
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變壓器柜內(nèi)裝有整流移相變壓器，該變壓器采用免維護型干式變，絕緣等級為H級，最高耐受溫度180℃。變壓器將網(wǎng)側(cè)高壓變換為副邊的多組低壓，為功率柜中的功率單元供電，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，其工作電壓由各個低壓繞組的輸出電壓來決定，工作在相對的低壓狀態(tài)，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。各功率單元間的相對電壓，由變壓器副邊繞組的絕緣承擔，避免了串聯(lián)均壓問題。變壓器設(shè)有溫控設(shè)備，能夠?qū)崟r監(jiān)控其內(nèi)部溫度，在溫度較高時發(fā)出報警信號，在溫度過高時發(fā)出跳閘信號。
功率柜中的功率單元是整個變頻系統(tǒng)的心臟，能量回饋功率單元采用有源前端（AFE）、直流環(huán)節(jié)（DC-Link）與逆變電路（INV）整合的結(jié)構(gòu)。整流側(cè)用IGBT三相全橋可控整流，中間采用電解電容濾波和儲能，輸出側(cè)為4只IGBT組成的H橋，如下圖所示。每個功率單元內(nèi)部包含完整的能量回饋電路、直流濾波電路、逆變電路和旁路電路。每個功率單元相當于一臺交-直-交電壓型單相輸出的低壓變頻器。每個功率單元內(nèi)裝有獨立的DSP處理器和電壓、電流采樣電路，能夠在主控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下獨立地實現(xiàn)能量回饋的控制。由于采用可控整流技術(shù)，變頻器的輸入電流具有較高的功率因數(shù)（PF＞0.95）和較低的諧波含量（THD＜4%）。
模塊內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)
變頻器主控系統(tǒng)通過光纖統(tǒng)一控制各功率單元的輸出側(cè)IGBT，使變頻器整機輸出疊加后的多電平PWM電壓波形，如圖所示。該電壓具有很高的正弦度，諧波含量很低。
高壓變頻器輸出線電壓波形
控制系統(tǒng)位于控制柜中，由主控制器（DSP）、人機界面（嵌入式工控機）、PLC三大部分構(gòu)成，三大部分各有分工，又互相通訊、協(xié)同工作。人機界面和主控制器及PLC之間均采用RS485進行數(shù)據(jù)通訊，通訊協(xié)議為Modbus協(xié)議。主控制器和PLC之間采用I/O點及模擬信號線建立簡單通訊。
高性能交流傳動系統(tǒng)均需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，因此利德華福研發(fā)了高性能矢量控制技術(shù)，可保證很高的精度和很準確的動態(tài)轉(zhuǎn)速。整個系統(tǒng)采用高性能DSP微處理器，可以自動檢測到電機的參數(shù)，建立電機的數(shù)學(xué)模型，通過檢測電機的電壓和電流，對電機的磁通和轉(zhuǎn)矩進行實時的解耦控制，能夠?qū)﹄姍C轉(zhuǎn)矩進行主動的限制，避免負荷波動導(dǎo)致的過電流故障。
矢量控制產(chǎn)品的性能指標為：調(diào)速范圍100:1，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0.5%，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間小于200ms，啟動轉(zhuǎn)矩200%額定轉(zhuǎn)矩，基本達到國際先進水平。采用DSP高性能矢量控制的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)電機參數(shù)自動整定、系統(tǒng)狀態(tài)變量的實時顯示和監(jiān)控等功能。
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理及拓撲結(jié)構(gòu)如下圖所示。
變頻器原理及系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
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3、改造中的變頻器與電控系統(tǒng)的配合
高壓變頻器是整個改造系統(tǒng)的一個核心部分，它具有與電控系統(tǒng)相適配的各種接口。配合自動控制的操作臺運行時，電控臺向變頻器發(fā)出“正轉(zhuǎn)運行”、“反轉(zhuǎn)運行”和“變頻急停”三路開關(guān)量信號，以及一路4～20mA“給定轉(zhuǎn)速”信號。變頻器向電控臺發(fā)出“變頻器待機”和“變頻器故障”兩路開關(guān)量信號，以及用于顯示的模擬量輸出信號。電控臺控制高壓斷路器分、合閘，變頻器輸出的“合閘允許”與“緊急分斷”分別連入相應(yīng)的控制回路中。絞車上安裝的軸編碼器向電控臺發(fā)出電機轉(zhuǎn)速及絞車位置信號。電控臺接受絞車司機的操作指令。如下圖所示。
變頻器與現(xiàn)場接口
變頻器執(zhí)行電控系統(tǒng)的指令，完成啟動、停止及其加減速的動作。當制動手柄與主令手柄推離零位后，經(jīng)過可編程控制器的運算發(fā)出模擬量（電流源）信號作為高壓變頻器的模擬輸入給定，同時發(fā)出“正轉(zhuǎn)運行”或“反轉(zhuǎn)運行”指令，高壓變頻器接收到電控臺發(fā)出的指令，按照根據(jù)絞車速度曲線圖設(shè)定好的加速時間進行升速。隨著高壓變頻器輸出頻率由最低升至最高后，提升機進入高速段。當提升容器運行至減速點時，電控臺通過輸入給定控制變頻器，變頻器依據(jù)設(shè)定好的減速時間逐漸由最高頻率向設(shè)定的爬行速度對應(yīng)的頻率降速，提升機從高速階段進入減速段運行。當前速度降至爬行速度時，提升機進入到低速段運行，并保持該速度。提升容器運行到卸載位置時，電控臺進行抱閘操作，同時發(fā)出“變頻器急?！敝噶睿链送瓿梢淮翁嵘^程。
整個提升機系統(tǒng)中設(shè)有深度指示失效、限速、過卷、反轉(zhuǎn)、制動油過壓、閘瓦磨損、松繩、速度監(jiān)視、制動油超溫、潤滑油超壓欠壓、變頻器的輕重故障等保護功能。系統(tǒng)能根據(jù)故障性質(zhì)作出響應(yīng)，必要時實施緊急制動或二級制動，確保設(shè)備及人員的安全。
4、改造的過程
先把變頻器安裝到位，進行主回路線路改造，然后將變頻器控制系統(tǒng)及單機高壓調(diào)試正常，接著進行操作臺的固定安裝，連接操作臺與變頻器之間的連線，調(diào)試操作臺與變頻器的信號傳遞，正常后把變頻器和操作臺接入到原系統(tǒng)中統(tǒng)調(diào)。帶重載調(diào)試是改造中的重點部分。整個改造工程流程圖如下：
（1）高壓變頻器的安裝；
（2）提升系統(tǒng)主回路的改造；
（3）高壓變頻器控制電調(diào)試；
（4）高壓變頻器單體高壓調(diào)試；
（5）操作臺本體的安裝及調(diào)試；
（6）高壓變頻器與操作臺之間的連接及信號調(diào)試；
（7）高壓變頻器及操作臺與原提升系統(tǒng)的信號連接；
（8）提升系統(tǒng)初步統(tǒng)調(diào)；
（9）變頻提升系統(tǒng)重負載細調(diào)；
（10）變頻提升系統(tǒng)正常運行。
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5、改造后的效果
改造后，變頻器成功應(yīng)用于絞車生產(chǎn)，解決了原串電阻調(diào)速系統(tǒng)的各種弊端，優(yōu)勢如下：
（1）省去了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果；
（2）克服了接觸器、電阻器繞線電機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發(fā)生率，提高了系統(tǒng)的可靠性；
（3）實現(xiàn)了軟啟動、軟停車，減少了機械沖擊，使運行更加平穩(wěn)可靠；
（4）實現(xiàn)了無級平滑調(diào)速，可在靜態(tài)或動態(tài)任意調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速，運行平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)差沖擊；
（5）提升機加減速過程的平穩(wěn)控制，運行過程纜繩擺幅明顯減小，人員升降舒適性明顯提高；
（6）基本無維護工作量，操作簡單，減低了維護人員和操作人員的工作強度；
（7）系統(tǒng)具有更完善的軟硬件保護環(huán)節(jié)。
四、總結(jié)
HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在越南光興煤礦提升機系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不但為用戶創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，而且也證明了我公司高壓變頻器在領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)領(lǐng)先性和質(zhì)量可靠性，為我們贏得了更多的國際聲譽。同時，進一步證實對提升機系統(tǒng)進行變頻改造的可行性和必要性，值得大力推薦和應(yīng)用。
（轉(zhuǎn)載）
