高压变频调速系统对矿山提升机的改造
山东新风光电子科技发展有限公司 赵树国 郭培彬
摘 要：本文介绍了国产高压变频调速系统对矿山提升机改造的情况，对原矿山提升机系统及变频电控系统作简要介绍，并对高压提升变频调速系统作了论述，运行效果表明改造是成功的。
关键词：国产高压变频提升调速系统 矿山提升机 能量回馈
Abstract: The paper introduces the reconstruction that domestic high voltage variable frequency control velocity system for mining hoist.It is discussed that the system of mining hoist and variahle frequency system of controlling ,also analyzes the system of high voltage lifter inverter. The running effect indicate that the alternation is successful.
Key word : the system of domestic high voltage lifter inverter mining hoist energy feedback
1．原矿井提升机调速系统及变频电控系统简介
河北邯郸峰峰矿业集团公司是国家大型企业，全国煤炭百强企业。集团公司新三矿原有一副立矿井，该井提升系统采用380KW/6KV三相异步电动机，转子串电阻调速双码提升工作方式。由于新三矿矿井是1995年在原北大峪矿井基础上改扩建而建成的矿井，副立井井筒仍采用老井的井筒。受立井井筒尺寸的限制，又要兼顾提升井下尺寸较大的单件设备，因此，提升容器设计成了两个宽窄不同的容器；加之该提升系统还担负着人员、材料、矸石等的提升任务，提升重量每勾都有可能变化，造成了提升系统在调速阶段,速度控制较为困难。由于新三矿副立井提升行程较短（仅为175米），提升系统运行在调速阶段的时间占全程运行时间的10%以上，调速阶段消耗在调速电阻上的电能非常大，造成了大量的电能白白浪费。
由于副立井提升系统受提升物料不同的影响，经常处于负力提升状态。在负力提升状态下，主电机串电阻调速工作方式，调速阶段只能靠工作闸控制车速，机械能白白耗在工作闸上，不但能量不能得到再利用，还加剧了工作闸的磨损，增加了材料消耗，同时提升系统的安全性也受到了很大影响。
为改善提升系统运行的安全性和实现节能降耗的目的，集团公司领导下决心对该提升机电控系统进行改造。经多方考察，决定采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37-400T四象限高压变频器对绞车的拖动系统进行了技术改造，改造打到了预期的目的。
原矿山提升机绞车电机有关参数如下：
型号 JR158-8
功率 380KW
电流 47A
电压 6000V
转速 735r/min
2．提升机对变频器力矩的要求
与普通风机、水泵类负载相比较，提升机变频器对力矩有非常严格的要求。
（1）起动力矩很大：起动力矩一般在额定力矩的1.8倍以上；
（2）加速力矩：运行过程中，要求加速时间要短，需要提供较大的加速力矩；
（3）制动力矩：制动力矩分三种情况：第一种是在高速运行时，快速减速，这时需要相应的制动力矩；第二种情况是带重物下放；第三种情况是在停止状态，机械抱闸未起作用这一段时间，变频器要给相应的制动力矩以防止重物下滑溜车。
（4）低频力矩特性。
对于风机、泵类负载，转矩随转速的降低而减小，起动力矩一般都小于额定转矩，因此低频段稍加补偿即可满足需求。
提升机变频器则不然，起动时转矩至少要大于额定转速运行时的转矩与最大静摩擦力之和，同时在低速时还要提供所需的加速力矩，因此它要求的起动力矩比稳速运行时大得多，加速过程中的力矩也比稳速运行时的力矩大得多，这就需要在低频端施加足够的补偿，以提高起动转矩及低速时的力矩。
3. 风光电子公司JD-BP37/38系列高压提升变频调速器
新风光电子公司是国内最早研制变频器的公司之一，变频器国家标准审定单位之一，能量回馈技术在国内处于领先水平，变频器在提升机方面获得了国家专利，因此，选择了该公司生产的JD-BP37-400T（400KW）高压提升变频调速器。
3.1 JD-BP37/38系列高压提升变频调速器简介
JD-BP37型高压提升变频调速器采用最新型IGBT为主控器件，全数字化，彩色液晶触摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标的优质变频调速器，采用先进的矢量控制变频调速技术完成提升机的四象限运行，用于鼠笼式电机或绕线式转子串电阻电机控制，即可用于新矿井安装，也可用于老矿井改造。
风光高压提升变频器，采用若干个低压逆变器功率单元串联的方式实现直接高压输出，所用的6kV高压提升变频器，其移相变压器有18组付边绕组，分为6个功率单元∕相，三相共18个单元，10kV高压提升变频器，其移相变压器有30组付边绕组，分为10个功率单元∕相，三相共30个单元，采用36脉冲以上整流，输入端的谐波成分远低于国标规定 ，高压提升变频器系统结构如图1所示。
图1 高压提升变频器系统结构图
JD-BP37型高压提升变频调速系统由移相变压器、功率单元和控制器组成。
3.2 功率单元电路
每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其主电路结构如图2示，为基本的交-直-交双向逆变电路，通过整流桥进行三相全桥方式整流，整流后的给滤波电容充电，确定母线电压，通过对逆变块B中的IGBT逆变桥进行正弦PWM控制实现单相逆变。当电机进入发电状态后，逆变块B中的二极管完成续流外，又起全波整流，使能量能够转移到滤波电容中，结果母线电压升高，达到一定程度后，启动逆变块A，进行SPWM逆变，通过输入电感，返回到移相变压器的次极，通过变压器将能量回馈到电网。在这里需要强调的再生能量回馈。从硬件上看，功率单元电路多了个回馈逆变器。
图2 功率单元电路结构
控制器核心由高速单片机和工控PC机协同运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。
3.4 JD-BP37/38系列型高压提升变频调速器主要技术性能
(1)高—高电压源型变频器，直接6KV（10KV）输入，直接6KV(10KV)输出，无须任何输出变压器或滤波器，适配于普通高压电动机，对电机、电缆绝缘无损害。
(2) 采用32位高速控制芯片，矢量控制技术。
(3) 输入功率因数高，电流谐波小，无须功率因数补偿及谐波抑制装置。
(4) 输出阶梯正弦PWM波形。
(5) 可提供2倍以上的启动转矩。
(6)可提供交流制动、回馈制动等多种制动方式。
(7)可满足电动机的四象限工作要求。
(8)高压主回路与控制器之间为光纤连接，强弱电隔离，安全可靠。
(9) 完善的故障检测，精确的故障保护及准确的定位显示和报警。
(10)内置PLC，易于改变控制逻辑关系，可灵活选择现场控制/远程控制，适应现场多变需求。
(11)采用载波移相控制技术，大大抑制了输出电压的谐波成分，保证输出波形是完美正弦波。
(12) 控制电源与高压电相互独立，无高压可以检测变频器输出，便于现场调试以及培训操作人员，便于维护。
(13) 单元电路模块化设计，维护简单，互换性好
(14) 功率单元经24h高温老化、150％负载试验，可靠性高。
(15)中文Windows 操作界面，彩色液晶触摸屏操作。
(16) 可接收和输出多路工业标准信号。
(17) 可打印输出运行报表。
4. 基本控制要求
4.1 制动功能
本提升机用变频器，制动功能对提升系统的安全运行起到重要作用，当重车在中间停车时，PLC检测到停机信号后给控制器发出制动信号，让提升机由高速降到低速，待PLC检测到机械制动起作用的信号后，PLC发出信号让控制器去掉制动信号，使提升机靠机械抱闸一类的装置起作用。启动时，先对提升机施加制动信号，使电机建立起起动力矩，当PLC检测到机械抱闸信号后发出信号给控制器去掉制动信号，然后由控制器加上启动电压让提升机开始转动。
4.2 运行速度的控制
为了减少运行过程中的机械冲击，在提升机启动和停止过程中，做到加速度连续，因不同的频率，对应不同的加减速速率，在本装置的控制中，将不同频率时的加减速速率规划成一个表格，运行中用查表的方法确定对应频率时的加减速速率，使提升机平滑运行，减少机械冲击。
4.3 自动限速保护
在运行到终点时，由限速开关给出减速信号，PLC检测到减速信号后发送给控制器，由控制器启动自动减速程序，使工作频率按设定要求逐步变为低速运行。提升机带有转速编码器，当编码器给出超速信号，PLC检测该信号发送给控制器，进入自动减速运行。
4.4 再生能量处理
再生能量通过功率单元来处理，如图3所示。
图3 单元控制框图
电机处于发电状态，功率单元母线电压Vbus升高，当母线电压超过电网电压的1.1倍时，CPU根据比较器和相位检测的结果输出六路SPWM波形，使逆变块A中的IGBT工作，通过输入电感，电动机的再生能量最后通过移相变压器回馈到电网。装置充分利用了移相变压器对谐波的抵消作用，对电网无谐波污染、功率因数高、控制简单、损耗小,返回到电网谐波小于5%。
注：
（1）对高压变频器而言，输入电流谐波和输出电压谐波是关键指标，这两项指标经国
家权威部门的检测，均达到国标GB/14549-93和国际IEEEStd519-1992的标准。
（2）国家权威部门的检测共有23项，全部合格，检测日期是2005年11月。
（3）国家权威部门： 天津发配电及电控设备检测所和国家电控配电设备质量监督检验中心。
5. 变频调速系统对原调速系统的改造
为了确保安全可靠，让变频调速系统与原调速系统并存，互为备用，随时可以切换。同时为了让操作者不改变操作习惯，工、变频系统都用原操作机构操作，如图4所示：
图4工、变频系统切换控制
6. 现场应用情况及运行效果
（1）调试阶段对负载性能的试验
由于副井绞车提升负载情况比较复杂，因此，在调速阶段进行了多种试验，以检验变频器的性能；试验情况如下表：
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爬行速度试验（验绳速度） |
全程速度为0.25m/s,运行平稳。 |
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提升常规物料试验（如沙子、水泥、矸石） |
全速提升或下放，起车加速阶段、等速、减速、爬行各阶段运行良好。 |
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提升人员运行试验 |
全速提升或下放，在起车加速、匀速、减速、爬行等各阶段运行良好。人员在罐笼内乘坐时，加、减速阶段重力增加和失重的感觉几乎没有，速度控制的各个阶段运行感觉较为平稳。 |
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重载试验 |
①上提：
试验低速爬行的拖动能力。负载在井口时上提爬行速度约为0.15m/s；下放到井底后再次上提（重物在井底又增加了168×2米钢丝绳约1吨重），采用合适的低频补偿量后上提正常起动，爬行速度约为0.15m/s。 |
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②重物上提速度为5.77m/s（频率为50.3Hz）；下放速度为5.88m/s(频率为49.92Hz)。 |
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③重物上提全程运行时间由通常负载的54s增加65s（在技改前工频拖动，人工操作上提全程运行时间约为70s。速度控制是主电机转子串电阻，辅以工作闸来控制速度，为安全起见，通常减速较早，减速时间比较长，以致于运行时间加长），原因是低速爬行速度在重载条件下，爬行速度有所下降（由0.25m/s降为0.15m/s），造成了运行时间比常规提升重量状态下运行时间有所增加。 |
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④下放：低速爬行、加速、匀速、减速整个过程很正常，符合要求。 |
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结论：重载提升（下放）试验证明，变频拖动系统提升力矩可满足系统设计提升力矩要求。 |
重载过程中试验数据如下表：
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序
号 |
提升方向 |
试验频率（Hz） |
最大等速度（m/s） |
高压进线电流（A） |
电机电流（A） |
回馈情况 |
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上提 |
下放 |
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1 |
# |
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50.3 |
5.77 |
48 |
50 |
正常 |
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2 |
|
# |
49.92 |
5.88 |
35 |
40 |
正常 |
（2）变频运行节电效果
山东新风光电子科技发展有限公司生产的高压提升机变频器，经实测，在正力提升时，变频器输出的功率因数可达0.96以上，输往电机的能量是根据负载的轻重和运行速度，由变频器自动调节的，能源可得到充分的利用。在负力提升时，回馈到电网的能量可达理论回馈能量的1/3—2/5.再由于变频运行全程运行时间每勾节约了16s，在同样提升量的条件下，变频运行比工频运行可少耗电能。
经过三年的运行耗电量统计，实测节电率约为45%。从节电效果上是较为明显的，由此可看出，此次提升机变频技术改造的效果是较为理想的。
7.应用前景
目前，绞车电控智能化改造技术较为普遍，它极大地提高了绞车系统的控制精度、灵活性、控制功能的可靠性。完善可靠的种种保护功能，并且与外部硬件相结合，可使得系统的控制达到最佳状态。但四象限国产高压变频器应用于煤矿提升机的技术改造还不多见，是一个技术含量较高的产品。对于目前凡采用工频运行采用电阻有级调速控制模式的煤矿乃至其它行业提升机拖动系统采用变频改造，不但从控制的性能上是普遍电阻调速方式无法比拟的，在能源利用方面也显示出非常大的优势，因此，此技术在全国推广应用的前景广阔。
