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摘要：變頻改造是礦井提升領域提高工藝水平和安全技改的主要手段。本文對高壓變頻調速系統的原理、結構進行分析，結合龍田煤業變頻改造的現場，介紹HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在雙機拖動礦井提升系統上的應用情況。
關鍵詞：雙機拖動、礦井提升機、高壓變頻器、矢量控制、能量回饋、
一、 引言
在煤礦生產中，礦井提升機起著非常重要的作用，它是礦山生產的關鍵設備。提升機電控裝置的技術性能，既直接影響礦山生產的效率及安全，又代表著礦井提升機發展的整體水平。因此，要求礦井提升機拖動系統具有安全可靠，運行高效且定位準確的能力。
傳統的礦井提升中，80%左右是用交流繞線式電機轉子串電阻調速的方式，此調速方式技術相對落后，無效功耗過大，結構復雜，且運行效果不理想。為了獲得較高性能的提升系統部分采用直流傳動方案，但直流電機結構復雜，在功率范圍受到一定的限制的同時，運行過程中又給用戶帶來了高昂的維護費用。隨著電力電子與電機控制技術的發展，采用變頻調速的方法具備了大轉矩、高精度、寬調速、低維護的特點，從根本上解決了其他調速方式的弊端，是目前礦井提升機電氣傳動的首選方案。
二、用戶簡介
輝縣市龍田煤業有限公司成立于2006年4月，是由深圳市潛龍實業集團有限公司控股的現代化股份制企業，擁有一座年產95萬噸的礦井——程村礦井，主產三號優質無煙煤，服務年限49年，礦井于2008年投產，稅收在新鄉市排名前10位 。如圖1所示
圖1、龍田煤業一角
三、改造背景及方案確定
煤礦主、副井提升機系統在建井時部分設計為兩臺相同或不同容量的電動機一臺工作、一臺備用的拖動方式，即單機拖動方式。隨著礦井生產能力的提高，往往會出現單臺電動機工作無法滿足生產需要的情況。如重新購置容量較大的電動機就要將原有電動機淘汰，造成浪費。這時，可考慮在不更換設備的情況下，將單機拖動改為雙機同時拖動。
龍田煤業主井提升為一臺JKM-2.8/4（II）型多繩摩擦式提升機，裝備一對6T多繩箕斗，單電機最大輸入功率為800KW，已經達到最大單電機設計標準。根據設計院設計標準，礦井最大提升能力為72萬噸/年（一鉤6T、25鉤/時、16小時/天、300天）。由于現在提升任務重，主井提升已嚴重制約了礦井的生產任務。為了改善這種情況提高生產能力，準備對主井進行改造，將6T箕斗更換為8T箕斗，單電機拖動改為雙電機拖動，電控系統改造為交-直-交高壓變頻調速提升機系統，改造后生產能力提高到95萬噸/年（一鉤8T、25鉤/時、16小時/天、300天），提升機達到最大的提升能力，電控改造后使提升系統運行更加平穩，便于實現全自動化運行，有效地提高了系統的安全性，降低了司機的勞動強度，同時高壓變頻調速系統相比串電阻調速系統具有明顯的節能效果。
初步方案設計為采用兩套高壓變頻調速裝置分別對兩臺電機進行供電，其中兩高壓變頻裝置采用矢量控制、主從同步，保證兩電機的同步拖動，實現兩臺電機輸出同樣轉矩，轉矩、功率分配均勻，達到整個調速范圍內平滑無脈動，低速運行平穩的水平。如其中一路電機或變頻器出現故障時，通過外部切換，可實現單電機全速半載正常運行。
四、現場基本工況
基本參數：井塔型多繩摩擦式提升機，提升高度：522m，井塔高度： 43.95m鋼絲繩根數：4根；
提升機參數：型號：JKM-2.8/4（II），導向輪直徑：2.5m，主導輪直徑：2.8m；
減速機參數：型號：ZHD2R-140，減速比：10.5；
電機參數：#1電機 YR800-10，800kW，593rpm，6000V，98A，上海電氣集團上海電機廠有限公司；#2電機 YR560-10，800kW，592rpm，6000V，103A，佳木斯電機股份有限公司；
變頻器參數：型號：HARSVERT-FVA06/120，額定電壓6kV，額定電流120A，額定功率1000kW。現場情況如圖2、圖3所示。
圖2 現場電機與減速機
圖3現場主導輪（摩擦輪）
五、變頻器系統原理及結構介紹
此次變頻改造選用2臺型號為HARSVERT-FVA06/120的高壓變頻器。HARSVERT-FVA系列高壓變頻器是北京利德華福電氣技術有限公司生產的新一代能量回饋型矢量控制高壓變頻調速系統，該系統采用無網側電抗器的四象限單元串聯多電平結構，通過矢量控制算法對電機進行精確的控制。
由于受IGBT耐壓限制，6kV高壓變頻調速系統的結構采用功率單元串聯模式，6kV系列有15個功率單元，每5個功率單元串聯構成一相，如圖4所示。我公司高壓變頻系統采用矢量控制，高壓變頻系統是速度和電流雙閉環控制系統，調壓精度高，動態響應快。
HARSVERT-FVA系列能量回饋型矢量控制高壓變頻器由激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜和控制柜組成，各柜體結構如圖5所示
圖5、高壓變頻系統的構成
下面根據柜子從左至右的擺放順序，逐一介紹變頻器各組成部分的結構及作用。
變頻器上電時沖擊電流可達到電機額定電流的6-10倍，系統配置的激磁涌流抑制柜內設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，真正實現對電網的零沖擊。具體功用：
（1）消除上電時對IGBT的沖擊，加強可靠性， 大大增加設備使用壽命；
（2）消除上電時對電網的沖擊，避免電網電壓瞬間跌落，干擾其他設備的正常運行。
變壓器柜內裝有整流變壓器，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℃。變壓器將網側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，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。各功率單元間的相對電壓，由變壓器副邊繞組的絕緣承擔，避免了串聯均壓問題。變壓器設有溫控設備，能夠實時監控其內部溫度，在溫度較高時發出報警信號，在溫度過高時發出跳閘信號。此變壓器與通用型高壓變頻器的變壓器比較，有兩點不同，1、因為每個模塊都要向電網回饋能量，所以變壓器每個繞組的阻抗要求比較均勻，造價比較高；2、此變壓器二次繞組無需移相。
功率柜中裝有功率單元，每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其主電路結構為圖6。功率單元利用IGBT進行同步整流，同步整流控制器實時檢測單元電網輸入電壓，利用鎖相控制技術得到電網輸入電壓相位，控制整流逆變開管關所構成的相位與電網電壓的相位差，便可控制電功率在電網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，反之電功率由電網注入功率單元。
圖6 功率單元內部基本電路結構
通過前部IGBT進行三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓， 通過對后部的IGBT逆變橋進行正弦PWM控制實現單相逆變。當電機進入發電狀態后，后部IGBT中的二極管完成續流外，又起全波整流，使能量能夠轉移到濾波電容中，結果母線電壓升高，達到一定程度后，啟動前部IGBT，進行SPWM逆變，通過輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過變壓器將能量回饋到電網，產品具備100%定額功率的能量回饋能力。
變頻器的輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到如圖7所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度較長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動。
圖7：高壓變頻器輸出線電壓波形
控制系統位于控制柜中，由主控制器（DSP）、人機界面（嵌入式工控機）、PLC三大部分構成，三大部分各有分工，又互相通訊、協同工作。人機界面和主控制器及PLC之間均采用RS485進行數據通訊，通訊協議為Modbus協議。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均需要轉速閉環控制，因此利德華福研發了高性能矢量控制技術，可保證很高的精度和很準確的動態轉速。整個系統采用高性能DSP微處理器，可以自動檢測到電機的參數，建立電機的數學模型，通過檢測電機的電壓和電流，對電機的磁通和轉矩進行實時的解耦控制，能夠對電機轉矩進行主動的限制，避免負荷波動導致的過電流故障。
矢量控制產品的性能指標為：調速范圍100:1，穩態轉速精度0.5%，動態轉矩響應時間小于200ms，啟動轉矩200%額定轉矩，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速系統可實現電機參數自動整定、系統狀態變量的實時顯示和監控等功能。
六、改造過程及方案調整
變頻器安裝完成后，首先進行了主回路線路改造，然后將變頻器控制系統及單機高壓調試正常，同步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中統調，帶重載調試是改造中的重點部分。
空載調試時，兩臺設備使用帶編碼器的矢量控制、主從同步，發現同步效果不理想，運行中減速機存在撞擊聲，不如VVVF控制方式穩定。隨即果斷嘗試采用VVVF控制方式、自然同步，發現只在啟動時兩電機速度稍有不同，加速過程中輸出電流有部分差距，到高速段兩電機輸出電流相當，整個過程機械運轉效果良好。考慮到兩臺電機廠家不同，電流及轉速參數也有差距，觀察單臺運行時的發現兩電機的電流變化規律也不同，認為空載滿足轉矩、功率分配平均原則。
帶載運行后，對于從6.5-10噸不等的負載進行測試，發現負載越重兩電機平衡性越好，與用戶討論后，決定不采用矢量控制、主從同步方式，運行VVVF控制、自然同步方式，該控制方式使兩電機轉矩、功率分配均勻，完全滿足工況要求。
七、改造后的效果
改造后，變頻器成功應用于提升機生產，解決了原串電阻調速系統的各種弊端，優勢如下：
（1）省去了轉子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節能效果；
（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生率，提高了系統的可靠性；
（3）啟動柔和，轉矩大，實現了無級平滑調速，加減速快速平穩。啟動和加減速階段基本不存在機械沖擊，極大的延長了設備的使用壽命；
（4）自動化程度高，操作簡單，主令手柄和制動手柄在提升機運行中基本不動，降低司機勞動強度和操作難度，運行平穩無震動，噪音低；
（6）基本無維護工作量，減低了維護人員的工作強度；
（7）系統具有更完善的軟硬件保護環節。
八、總結
該高壓變頻器調速系統已經穩定運行1年。北京利德華福變頻器首次在雙機拖動的提升機上運行，取得圓滿成功，證明了利德華福在高壓傳動領域上的雄厚技術實力。HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在龍田煤業的成功應用，大大提高了主井提升系統的安全性和可靠性，確保了主井提升機的高質量運行，為用戶創造了巨大的經濟效益和社會效益。實踐證明，利用技術先進、成熟安全的高壓變頻調速系統可以全面改善現場工況，提高系統自動化程度，節約電能。使用高壓變頻器可以大大降低現場維護量，帶來可觀的效益，切實響應國家節能降耗的號召，值得大力推廣。
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