1 用戶情況介紹

陜西某煤礦年生產(chǎn)能力為1500萬噸，提升絞車采用雙軸驅(qū)動提升，該提升電控系統(tǒng)采用交流繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬有級調(diào)速，調(diào)速范圍受限，調(diào)速精度低，在減速時和下放重物時，浪費(fèi)了大量的電能。

提升機(jī)采用繞線式異步電動機(jī)拖動，電機(jī)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)，存在以下缺點(diǎn)：
(1)大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。
(2)控制系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)碳刷容易損壞，維護(hù)工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。
(3)低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制，特別是在負(fù)載發(fā)生變化時，很難實(shí)現(xiàn)減速控制，導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。
(4)啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。
(5)自動化程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。
(6)低速段的啟動力矩小，機(jī)械特性比較軟，帶負(fù)載能力差，無法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。

為了提升煤礦提升電控的控制水平，降低損耗，國家出臺了相關(guān)政策，要求煤礦上繞線式電機(jī)必須進(jìn)行改造，采用變頻控制進(jìn)行拖動煤礦提升絞車。

礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過研究對比考察，決定選用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-1400T（1400kW/6kV）高壓提升機(jī)變頻器2臺，分別控制提升絞車的兩臺電機(jī)，改造取得了成功。
該煤礦礦井提升機(jī)兩臺拖動電機(jī)參數(shù)表1。風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器具體參數(shù)如表2所示。設(shè)備現(xiàn)場如圖1所示。

圖1提升機(jī)現(xiàn)場設(shè)備圖

2風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器性能特點(diǎn)

為解決電動機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，國內(nèi)在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動方式，即通過內(nèi)置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，該方法雖然簡單，但缺點(diǎn)是顯而易見的： (1)浪費(fèi)能量，降低了系統(tǒng)的效率；(2)電阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作；(3)簡單的能耗制動有時不能及時抑制快速制動產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動性能的提高。

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，并克服傳統(tǒng)制動方法的并聯(lián)電阻消耗能量造成的浪費(fèi)，新風(fēng)光率先研制了提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，在變頻器整流電路中采用自關(guān)斷器件進(jìn)行PWM控制，使能量雙向流動，使電機(jī)四象限運(yùn)行；使電機(jī)很快達(dá)到速度要求，動態(tài)響應(yīng)快。
風(fēng)光JD-BP37-T系列高性能高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，在以高速DSP（TMS320F2812）為控制核心，結(jié)合無速度傳感器矢量控制技術(shù)，融合了能量回饋技術(shù)，以及IGBT大電流驅(qū)動技術(shù)，是新一代高性能完美無諧波高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品的典型代表。矢量控制功能使得異步電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)好，調(diào)速精度高。能量回饋技術(shù)的應(yīng)用，使得功率單元串聯(lián)型高壓變頻器具備了四象限運(yùn)行能力，能量可以在電網(wǎng)和電機(jī)之間雙向流動。

風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器在工作中具有以下特點(diǎn)：
①當(dāng)電機(jī)處于拖動狀態(tài)時，能量由交流電網(wǎng)經(jīng)整流器中間濾波電容充電，逆變器在PWM控制下將能量傳送到電機(jī)。
②當(dāng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器的續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時在PWM控制下將能量回饋到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動。
由于PWM整流器閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除了網(wǎng)側(cè)諧波污染。其優(yōu)點(diǎn)是制動力矩大，調(diào)速范圍寬，動態(tài)性能好。
能量傳遞過程通過圖2所示。

圖2能量傳遞過程控制框圖

風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器除具有普通高壓變頻器的功能外，還針對絞車控制，具有以下突出特點(diǎn)：
（1）電源輸入勵磁涌流限制技術(shù)：該技術(shù)使得系統(tǒng)在每次上高壓電時的沖擊電流小，對電網(wǎng)的沖擊也很小。
（2）系統(tǒng)斷電自動保護(hù)技術(shù)：確保任何情況下系統(tǒng)都能安全運(yùn)行。如果沒有：提升機(jī)重載下放過程中，遇到系統(tǒng)停電時，會造成單元損壞甚至整個系統(tǒng)癱瘓。
（3）變頻裝置為直接高-高結(jié)構(gòu)，直接6kV輸入，直接6kV輸出，可以直接安裝使用,不需要對系統(tǒng)進(jìn)行任何改造。
（4）功率單元自動旁路技術(shù)：在提升機(jī)運(yùn)行過程中，意外出現(xiàn)一個或幾個功率單元故障時，系統(tǒng)可以自動將故障單元旁路，系統(tǒng)進(jìn)入星點(diǎn)偏移控制，保持輸出的線電壓平衡，同時保持較大輸出轉(zhuǎn)矩、電壓，完成本次提升任務(wù)。
（5）獨(dú)立的控制電源技術(shù)：系統(tǒng)在不上高壓電的情況下可以檢測系統(tǒng)各個關(guān)鍵點(diǎn)的波形和調(diào)試、培訓(xùn)等，方便用戶自行檢修和維護(hù)。
（6）空載低損耗控制技術(shù):變頻系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)下，空載損耗小，經(jīng)實(shí)測比通用技術(shù)產(chǎn)品要低2～3倍。
（7）采用矢量控制技術(shù)，電機(jī)可四象限運(yùn)行，具有不施閘懸停和力矩預(yù)置技術(shù)。
（8）承諾可以現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)：1～2個單元故障可以旁路，完成一個提升循環(huán)。提升機(jī)滿載、全速提升和下放電源停電試驗(yàn)，確保變頻器不損壞。
（9）風(fēng)光變頻器單元內(nèi)電解電容因采取了本公司的專利技術(shù)（專利號ZL 2003 2 017356.2），可以將其使用壽命提高一倍。
（10）提升機(jī)變頻器具有回饋制動、直流制動、安全制動和動力制動等多項(xiàng)制動方式，保證了絞車可靠運(yùn)行。
（11）具有多機(jī)主從控制功能
（12）具有完備的與電控系統(tǒng)對接的各個接口，實(shí)現(xiàn)與電控系統(tǒng)無縫連接。
3高壓提升機(jī)改造主回路方案及基本控制功能

煤礦為了節(jié)能投資，把原有繞線式轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行短接，采用變頻器直接拖動絞車電動機(jī)，采用主從控制功能，兩臺高壓提升機(jī)變頻器的主回路改造相同，以其中1#變頻器為例進(jìn)行說明，主回路如圖3所示：

圖3  主回路圖

圖3中K1、K3為二臺高壓隔離開關(guān)，當(dāng)高壓變頻器檢修時，保證檢修工的人身安全。為了保證安全，變頻器高壓連跳信號和上一級的高壓斷路器也實(shí)現(xiàn)互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線圈，變頻器出現(xiàn)故障時，上一級的高壓斷路器斷開，實(shí)現(xiàn)高壓故障連跳功能。

高壓提升機(jī)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(yùn)行時，電控臺向變頻器發(fā)出“正轉(zhuǎn)運(yùn)行”、“反轉(zhuǎn)運(yùn)行”和“變頻急?！比烽_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(jī)”、“變頻器故障”和“安全回路”三路開關(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，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(jī)轉(zhuǎn)速及絞車位置信號。電控臺接受絞車司機(jī)的操作指令。
整個提升機(jī)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(hù)功能。系統(tǒng)能根據(jù)故障性質(zhì)做出響應(yīng)，必要時實(shí)施緊急制動，確保設(shè)備及人員的安全。
4煤礦提升機(jī)變頻調(diào)速方案設(shè)計(jì)選擇分析

該煤礦提升機(jī)系統(tǒng)中由2臺電機(jī)雙軸驅(qū)動，這樣在變頻調(diào)速改造中就面臨雙機(jī)驅(qū)動的問題。因此，在改造過程中，是選擇一拖二控制方案，還是選擇主從控制方案。提升機(jī)雙機(jī)拖動變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心問題是如何處理提升系統(tǒng)中各電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩平衡問題。
4.1 “一拖二”方案

“一拖二”方案中，如果存在電機(jī)的參數(shù)差異、減速機(jī)存在加工上的差異等等因素，將會導(dǎo)致系統(tǒng)中兩臺電機(jī)的輸出功率有差異。當(dāng)采用變頻器“一拖二”方案時，在運(yùn)行過程中兩臺電機(jī)出力不均勻時，必將導(dǎo)致一臺電機(jī)過載而另一臺電機(jī)欠載，嚴(yán)重時會使過載的電機(jī)燒毀，甚至可能使變頻器主回路的功率模塊損壞。采用“一拖二”方案有以下弊端：一是變頻器不能有效的分配兩臺電機(jī)的功率；二是變頻器不能有效的保護(hù)每一臺電機(jī)。鑒于以上原因，該煤礦領(lǐng)導(dǎo)考慮皮帶機(jī)電機(jī)控制選擇“雙機(jī)主從”方案。
4.2 “主從”控制方案

控制方案采用兩臺變頻器分別拖動兩臺電機(jī)，采用主從控制。雙機(jī)主從控制是由完全獨(dú)立的兩臺變頻器通過主、從機(jī)的通訊方式保證雙電機(jī)的協(xié)調(diào)控制。兩臺電機(jī)中任意一臺都可作為主機(jī)，另一臺為從機(jī) (參數(shù)主從機(jī)選擇主機(jī)設(shè)為1，從機(jī)設(shè)為0)，也可在顯示畫面上更改為單機(jī)運(yùn)行模式。兩臺變頻器與操作臺都有控制信號線連接，兩臺變頻器之間用光纖通信。
提升機(jī)主從控制原理如圖4所示。該煤礦提升機(jī)現(xiàn)場采用2臺JD-BP37-1400T（1400kW/6kV）高壓變頻器分別控制2臺1250kW高壓電機(jī)，選用1#變頻器為主變頻器，2#變頻器為從變頻器，主機(jī)變頻器用于實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，由操作臺上位機(jī)發(fā)給主變頻器給定頻率值。主、從變頻器的電源輸入端分別與電網(wǎng)相連接，輸出端分別與1#、2#電動機(jī)的定子輸入端相連接；主機(jī)變頻器與從機(jī)變頻器之間通過光纖相通信，主機(jī)采用速度控制，從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制，同時主、從機(jī)變頻器通過檢測相應(yīng)輸出的有功電流大小來對運(yùn)行頻率做調(diào)整，以達(dá)到兩個電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩平衡目的。

圖4 提升機(jī)兩臺電機(jī)主從控制原理圖

5現(xiàn)場變頻改造情況

主井提升機(jī)于2017年11月14日一次性投運(yùn)成功，已連續(xù)運(yùn)行正常至今。提升機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行如圖5所示。提升絞車變頻改造后，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)加減速過程的平穩(wěn)控制，運(yùn)行過程纜繩擺幅明顯減小，人員升降舒適性明顯提高，電動機(jī)啟動電流與啟動時振動顯著降低。自動化電控系統(tǒng)很好地防止提升機(jī)過卷和過放事故發(fā)生；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。采用主從控制解決了兩臺電機(jī)協(xié)調(diào)控制的問題。經(jīng)過實(shí)測，變頻改造后，在提升產(chǎn)量相同的情況下，變頻運(yùn)行時比工頻節(jié)能20%以上。

圖5 風(fēng)光高壓提升機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行圖

6結(jié)束語

風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器在主井提升機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻電控系統(tǒng)改造中，不僅提高了提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，而且大大減低了維護(hù)費(fèi)用，節(jié)能效果明顯，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動。風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器具有優(yōu)異的控制性能，可以完全輕松解決提升機(jī)設(shè)備改造過程中的各種問題，提升機(jī)采用變頻控制，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。