高压变频器在矿山提升机上的应用
赵树国¹ ，未士敬²， 郭培彬¹，刘徳胜³
(1.山东新风光电子科技发展有限公司， 山东 272500；2.河北邯郸峰峰矿业集团公司，河北 056201；3.河南焦作华飞公司，河南 454100)
摘要：本文介绍了高压变频器在矿山提升机上的应用情况。对原矿山提升机系统作简要介绍，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：高压变频提升调速系统 矿山提升机 能量回馈
The Application of High Voltage Inverter in the Mining Hoist
Zhao Shu-guo¹，Wei Shi-jing², Guo Pei-bin¹,Liu De-sheng³
(1.Shandong Xinfengguang Electronic Technology Develops CO.,Ltd, Shandong 272500; 2.Hebei Handan Fengfeng Group, Hebei 056201; 3.Henan Jiaozuo Huafei CO.,Ltd, Henan 454100)
Abstract: The paper introduces the application of high voltage inverter in the mining hoist. It is discussed that the system of mining hoist，also analyzes the system of high voltage lifter inverter. The running effect indicate that the alternation is successful.
Key word : the system of high voltage lifter inverter mining hoist energy feedback
1.引言
矿山提升机是矿山生产的至关重要的大型设备，对矿井的生产及安全起着非常重要的作用，因此，它的电气传动及控制装置一直是各国传动界的一个重要研究领域。传统大多数矿井提升机采用绕线转子异步电动机转子回路串电阻的交流调速系统，当前投产的大、中型矿井的提升机多数采用磁场换向的晶闸管直流可逆调速系统。而采用全数字变频调速技术的现代交流调速系统代表矿井提升机技术的先进水平。
2.原矿山提升机调速系统简介
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矿井提升机，该提升机绞车采用线绕式异步电动机，用转子串电阻的方法调速。这种系统属于有级调速，低速转矩小，转差功率大，启动电流和换档电流冲击大，中高速运行振动大，制动不安全不可靠，对再生能量处理不力，低速运行到终点时易出现“过卷”现象，故障率高，运行效率低等缺点，矿用生产是24小时连续作业，即使短时间的停机维修也会给生产带来很大损失。集团公司领导下决心对该提升机电控系统进行改造，而焦作华飞公司是中国最大的矿用提升机电控生产基地，技术力量雄厚。基于此，选用了华飞公司生产的变频提升机电控系统。我们根据华飞公司和新三矿的要求，研制出了高压提升机专用变频器，填补了国内高压提升机方面的空白。
由于提升类负载对变频器有着不少特殊的要求，所以一般普通变频器不可能直接用到提升机上。提升机对变频器要求有以下主要特点：
（1）要求可靠性高
（2）要求能实现四象限运行，解决能量回馈
（3）要求有完善的数字控制功能
（4）技术指标要求高(例如启动转矩2倍以上，150%额定电流以下连续运行，200%额定电流一分钟保护)
（5）要求适应恶劣的使用环境
（6）要求标准的数字通信接口
（7）运行速度曲线成S形，加减速平滑
原矿山提升机绞车电机有关参数：
型号 JR158-8
功率 380KW
电流 47A
电压 6000V
转速 735r/min
3.新风光电子公司JD-BP37型高压提升变频调速器
我们山东新风光电子科技发展有限公司根据与用户的协议，为该提升机绞车配备了我公司生产的JD-BP37-400T（400KW）高压提升变频调速器。以下是对JD-BP37型高压提升变频调速器的一些介绍。
3.1 JD-BP37型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，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，采用36脉冲整流，输入端的谐波成分满足国标规定，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。
图2功率单元电路结构
输入侧由移相变压器给每个单元供电，每个功率单元都承受电机电流、1/6的相电压、1/18的输出功率。18个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。
3.4输出侧结构
输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图3.所示的阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。
图3 变频器输出的相电压阶梯PWM波形
控制器核心由高速DSP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。
4.JD-BP37型高压提升变频调速器主要技术性能
4.1高——高电压源型变频器，直接6KV输入，直接6KV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。
4.2 输入功率因数高，电流谐波小，无须功率因数补偿、谐波抑制装置。
4.3 单元电路模块化设计，维护简单，互换性好。
4.4 输出阶梯正弦PWM波形。
4.5 可提供2倍以上的启动转矩。
4.6可提供直流制动、回馈制动等多种制动方式。
4.7可满足电动机的四象限工作要求。
4.8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。
4.9 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。
4.10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。
4.11 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。
4.12 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。
4.13 采用准优化SPWM调制技术，电压利用率高。
4.14 功率单元经24小时高温老化、150％负载试验，可靠性高。
4.15 中文Windows 操作界面，彩色液晶触摸屏操作。用户操作监控系统界面十分友好和完善，系统包括上位机（商用PC机）、下位机（工控机）、单片机。其中单片机给用户提供一个4位LED数码显示屏和一个12键的小键盘操作平台，可对变频器进行全部操作，包括参数设置和各种运行指令。工控机用触摸屏和通用键盘给用户提供操作平台，其功能更齐全，包括参数设定、功能设定、运行操作、运行数据打印、故障查询等等。上位机（商用PC机）放在总控室，可对多台变频器进行遥测、遥控。若只有一台变频器，上位机可省，或让客户自定。
4.16 可接收和输出多路工业标准信号。
4.17 可打印输出运行报表。
5.基本控制要求
5.1直流制动
本提升机用变频器，直流制动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一信号，让提升机由高速平滑地降到低速，然后由控制器发出直流制动信号，使提升机停止，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直流制动信号，使提升机靠机械抱闸一类的装置起作用。启动时，先对提升机施加一直流制动信号，PLC检测到机械抱闸信号后发出信号给控制器去掉直流制动信号，然后由控制器加上启动电压让提升机开始转动。
5.2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。
5.3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。提升机带有测速发电机，当测速发电机给出超速信号，PLC检测该信号发送给控制器，进入自动减速运行。
5.4再生能量处理
再生能量通过功率单元来处理，见图4示：
图4 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。
6.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5所示：
图5工、变频系统切换控制
7.现场应用情况及运行效果
设备改造工程于2005年4月调试成功。使用变频器后有以下优点：
7.1.变频系统无需原电控调速用的交流接触器及调速电阻，提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境，使噪音及室温降低。
7.2.调速连续方便，连续平滑调节。
7.3.实现了低频低压的软起动和软停止，使运行更加平稳，机械冲击小，避免了掉道现象。
7.4.启动及加速过程冲击电流小，加速过程中最大电流不超过1.3倍的额定电流，提升机在重载下从低速平稳无级平滑的升至最高速，没有大电流出现，减小了对电网的冲击。
7.5.增加了直流制动功能，使重车停车时更加平稳，有效避免了“溜沟”现象。
7.6.采用回馈制动技术，成功解决了位能负载在快速减速或急停时的再生发电能量处理问题，保证了变频器的安全运行。
7.7.节能效果显著。据实测，在低速段节能明显，一般可达到37%以上。
7.8.采用变频控制后，原绕线式电机可改为普通电机，这不但降低了成本，普通电机比绕线式电机可节约投资1/3，而且电机维护方面，避免了转子炭刷的烧损及维护。
8.结束语
矿山提升机变频调速系统具有控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点，随着变频调速技术的日益成熟与能源节约要求的必然趋势，它正成为矿山提升机传动的发展方向。
参考文献
[1]王清灵， 龚幼民. 现代矿井提升机电控系统. 北京：机械工业出版社 1996
[2]山东新风光电子 高压提升变频器用户手册. 山东新风光电子科技发展有限公司.
作者简介：赵树国（1978－），男，2002年毕业于海军大连舰艇学院，现在山东新风光电子科技发展有限公司技术部负责高压变频器的工作。
