能量回馈型高性能高压变频调速系统在矿井提升机上的使用2012-2-27 9:13:32一、前言龙煤集团双鸭山分公司集贤煤矿是一家从事煤炭开采多年的老矿，目前年产优质煤炭200万吨。
该煤矿的主井提升机为双筒式矿井提升机，滚筒直径为3.5米，提煤容器为箕斗，提媒工艺如下示意图：该采煤提升系统为目前中小煤矿普遍采用，采用箕斗作为提升容器，一个箕斗在井底煤仓自动装载后，被提升到地面卸载；另一箕斗由地面下降到井下煤仓处装煤。
箕斗通过机房的双滚筒带动，机房双滚筒采用两台800千瓦电机通过减速机拖动，电机的调速方式采用传统的串电阻调速方式，该调速方式属于落后技术，存在以下缺点：（1）大量的电能消耗在转差电阻上，造成了严重的能源浪费，同时电阻器的安装需要占用很大的空间。
（2）控制系统复杂，导致系统的故障率高，接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏，维护工作量很大，直接影响了生产效率。
（3）低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制，特别是在负载发生变化时，很难实现恒减速控制，导致调速不连续、速度控制性能较差。
（4）启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机的使用寿命大大降低。
（5）自动化程度不高，增加了开采成本，影响了产量。
（6）低电压和低速段的启动力矩小，带负载能力差，无法实现恒转矩提升。
目前，变频器调速系统作为当前最先进的交流电机调速系统，越来越多的使用于各种交流电机拖动场合，作为矿井提升机这种特殊行业、特殊负载，使用的案例还比较少，尤其是针对高压变频调速系统，双鸭山新立矿标新立异，敢于创新，通过多加比对，考察，决定采用北京利德华福电器技术有限公司生产的能量回馈型高性能矢量控制变频器对原系统进行改造。
二、能量回馈型高性能高压变频器系统简要介绍北京利德华福电气技术有限公司生产的能量回馈型高压变频器属于高性能具备矢量控制功能的新一代变频器，广泛使用于矿井提升机、需要快速制动的风机以及大型轧钢机负载上，其基本组成为：激磁涌流抑制柜、变压器柜、功率柜及控制柜。
设备原理如上图，现简要说明：( 1）涌流抑制：变压器在受电瞬间，会产生激磁涌流，该数值在正常额定电流的6到8倍左右，在电网容量较小的情况下，可能引起电网急剧负向波动，影响其他设备的正常运行。
为了解决该问题，北京利德华福针对该场合运行的变频器加装了激磁涌流抑制柜，其主要组成部分为高压电阻及真空接触器，二者并联。
当变频器受高压电瞬间，高压电阻串入变压器输入回路，通过电阻的限流作用降低激磁涌流，减小电网的负向波动。
延时两秒钟后，受变频器控制系统控制，并接在高压电阻的真空接触器自动吸合，切除高压电阻，变频器投入正常运行。
( 2）变压器：该变压器为移相变压器。
移相变压器给每个功率模块供电，移相变压器的副边绕组分为三组，根据电压等级和模块串联级数，一般由24、30、42、48脉冲系列等构成多级相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形（网侧电压电流谐波指标满足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。
使其负载下的网侧功率因数接近1。
由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。
(3）功率模块：功率模块是变频器中重要的组成部分，变频器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，可得到阶梯正弦PWM波形。
这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长度，可直接用于普通电机。
同时，电机的谐波损耗大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。
对于能量回馈变频器的功率模块，其结构更为复杂，功率单元的输入部分不再是整流二极管，而是可控的开关器件（IGBT），并在每个功率模块中加装电流检测装置，通过对输入部分IGBT的控制，实现电流的双向流动，从而实现变频器的四象限运行功能。
当某一个功率模块出现故障时，通过控制使输出端子短路，可将此单元旁路退出系统，变频器可降额机械运行；由此可避免很多场合下停机造成的损失。
需要说明的是，上述所有功能的实现，均由变频器的大脑——主控系统来实现，北京利德华福变频器的主控系统大体由高速单片机处理器、人机界面、PLC组成。
单片机处理器利用公司具有自主知识产权的先进矢量控制技术，通过光纤通讯的方式对每个功率单元进行PWM控制。
人机操作界面解决高压变频调速系统本身和用户现场接口的问题，提供友好的全中文监控界面，使用方便、快捷，同时可以实现远程监控和网络化控制。
内置PLC则用于柜体内开关信号的逻辑处理，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊需要。
三、改造方案电机参数高压变频器参数改造方案如下图：原有的串电阻调速方式继续保留，通过切换开关将高压变频器融入到原系统，保证两个系统操作的相对独立性。
当变频器投入运行时，闭合QS3、QS4，通过转子切换柜将绕线式异步电动机转子短接，则变频器投入矿井提升机系统，变频器接受主控台指令正、反转及调速指令，驱动双电机同步调速正反转运行；当原有串电阻调速系统投入运行时，QS5、QS6 闭合，通过转子切换柜将原有电阻串入绕线式异步电动机转子回路，通过切换柜的变向及串入转子电阻的逐级切换，达到变向及调速的目的。
上图中的QS3、QS4、QS5、QS6 等隔离开关相互之间保持机械互锁，且开关状态全部纳入主控台操作系统，这样，高压变频调速系统可以和原系统互为备用，增加矿井提升机运行的可靠性。
变频器本体部分说明如下：(1）高压变频器采用单元串联多电平拓补结构，输入谐波小，功率因数高；(2）高压变频器为可以四象限运行的能量回馈型变频器，采用最先进的矢量控制技术，加速时可以实现最大的转矩输出，加速时间缩小至最短，而减速时，可以控制电机在四象限运行，输出制动转矩，减速时间缩至最短，同时，将势能转化为电能，回馈至电网，从而达到节能的目的；(3）考虑到矿用电网容量较小，变频器配备激磁涌流柜，在变频器送电初期，将激磁涌流抑制电阻投入主回路，延时两秒后，通过自动切换回路，切除激磁涌流抑制电阻，通过此种技术方案，降低变压器激磁涌流，保证变频器瞬间投入时不对电网造成电压波动；(4）单台变频器直接拖动两台电机，简化控制手段，降低故障风险。
四、变频器在矿井提升机系统中的使用上图为双鸭山集贤煤矿立井双箕斗提升系统主要组成部分，系统中包括：电机、高压变频器、主控台、液压站、润滑站、高压开关柜、减速机、联轴器、双滚筒、箕斗、天轮及原串电阻调速系统，因本文主要讲述高压变频器在矿井提升机系统中的使用，关于串电阻调速系统则在本文中不再详述。
图中，高压变频器作为动力调速装置，在整个提升系统中起着举足轻重的作用，下面则对此进行详细说明。
变频器通过高压开关柜受高压电，并且通过变频器控制系统检测高压电的相序，电压等一系列参数，如果参数超出变频器正常范围，则利用变频器自身的保护功能对变频器实施保护，为了降低变压器初期受电的激磁电流，避免受电时电网波动对其他运行设备的影响，该变频器配备了激磁涌流抑制柜，降低激磁电流，降低电网波动的幅度。
变频器和主控台的接口主要如下：变频器接受主控台的正转、反转、急停以及转速给定等指令，变频器反馈给主控台的信号有：待机、运行、轻故障、重故障、旁路故障、输出转速及输出电流等。
变频器受高压电后，主控台通过检测电机的待机信号，判断变频器已经可以运行，主控台在自动模式下，通过控制变频器，实现矿井提升机运行的5段速度曲线，即启动加速段、匀速段、一次减速段、匀速爬行段和二次减速制动段，下面一一说明。
(1) 启动加速段：主控台接受井下操作人员的打点命令，对变频器输出正转或反转命令，变频器按照预先设定的加速时间运行至最低频率，将运行信号反馈给主控台，此时作用于双滚筒上的抱闸系统处于抱闸状态，滚筒静止，拖动滚筒的电机处于堵转状态。
主控台接收到变频器运行信号后，判断变频器输出电流，当检测电流达到电机额定电流后（双电机系统，额定电流为单电机额定电流的二倍），证明电机已经获得了足够的励磁转矩，因液压站液压阀的机械特性有时会发生微小变化，为了避免溜车现象的发生，主控台在此稍做了延时，一秒钟后主控台驱动液压站液压阀，液压阀再驱动滚筒抱闸系统，松开抱闸系统，电机堵转结束，开始旋转，通过减速机，滚筒开始运行，从而通过钢绳拖动两只箕斗上下运行。
变频器接受主控台转速给定信号，逐步提高运行频率，按照预先设定的加速时间逐步提高运行频率，滚筒转速逐步提高；(2)匀速段：当转速给定指令提高至50赫兹，变频器运行至50赫兹时，进入匀速段，此阶段，变频器维持最大输出，滚筒运行至最高速度，拖动箕斗在最高速度下运行；(3)一次减速段：主控台通过立井系统的位置传感器接收箕斗运行位置信号，当到达一次减速区间的时候，主控台按照预先设定的程序减小转速给定指令数值，变频器接收到新的转速给定数值后，执行，开始降低运行频率，拖动电机及滚筒减速运行。
此时因箕斗之前还处于高速运行，突然降速后，由于惯性作用，电机进入发电状态，开始向变频器注入能量，变频器则利用自身的能量回馈功能，将此部分能量通过逆变回馈至电网，同时根据预先设定的降速曲线，对电机实施反作用力，达到快速降速的目的；(4)匀速爬行段：主控台通过箕斗的位置传感信号，通过预设数值，给定变频器低转速数值，变频器在此转速信号下维持低频率输出不变，箕斗低速运行，进入匀速爬行段；(5)二次减速制动段：主控台通过箕斗的位置传感信号，判断箕斗即将进入预定停斗位置后，给变频器更低转速信号，变频器运行至最低频率，当箕斗即将到达预定位置后，主控台发出急停指令，变频器停止驱动电机，同时控制液压站，关断液压阀，从而驱动滚筒抱闸系统，经过二级制动，抱闸系统抱死，滚筒静止，箕斗停运，执行卸煤及装载流程。
需要说明的是，当主控台发急停指令的时候，变频器通过自身编程延时0.5秒停止频率输出，此种技术手段是为了保证在滚筒抱闸系统已经起作用的时候，变频器仍有短时间力矩输出，防止抱闸系统抱闸瞬间变频器力矩输出为零，引起溜车现象，经现场反复运行，证明了该方案的可行性。
当然，在变频器运行的各个阶段，主控台通过轴编码器，分别监测电机、滚筒的转速，除了显示箕斗运行速度、实时深度等数值，还通过多个速度监测结果综合判断系统运行是否正常，另外，通过立井位置传感器、绳索、润滑站、液压站、电机过热保护器等系列参数，实现矿井提升机系统的上过卷、下过卷、松绳、润滑油油压过低或过高（润滑站主要是给减速机润滑）、液压站油压过高或过低、电机过载、绞车过速等一系列保护功能。
变频器的加减速时间设置很重要，其设置根本原则有两个方面，第一，尽可能利用变频器自身的快速响应功能，加减速时间尽量短，提高箕斗的运行速度，提高生产效率；第二，最大加速度不允许超过国家安标，防止安全事故，基于以上两点考虑，实际使用中，变频器从0至50赫兹的加速时间设置为12秒，从50赫兹至0赫兹的减速时间设置为9.7秒，经现场实际运行，完全满足现场运行要求。