1引言

2IGCT逆變器工作原理

    2.1IGCT結(jié)構(gòu)

    IGCT結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1左側(cè)是GCT（門極換流晶閘管），右側(cè)是反并聯(lián)的二極管。IGCT是在GTO的基礎(chǔ)上研制出來的改良器件，是由GCT和硬門極驅(qū)動(dòng)電路集成而來的。GCT與GTO有著類似的3端4層結(jié)構(gòu)，與GTO有重要差別的是GCT芯片利用緩沖層技術(shù)，采用透明陽極發(fā)射技術(shù)的IGCT陽極很薄，且為弱摻雜，硅片厚度更薄，可大大降低導(dǎo)通和開關(guān)損耗。GCT內(nèi)部由上百甚至上千只小GCT元件組成，它們的陽極公用，而陰極、門極則分別并聯(lián)在一起，其目的就是利用門極實(shí)現(xiàn)器件關(guān)斷。

圖1IGCT結(jié)構(gòu)圖

    ACSC6000SD系統(tǒng)的IGCT驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)功率小，把觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和IGCT管芯做成一個(gè)整體，通過兩根光纖輸入觸發(fā)信號(hào)，輸出工作狀態(tài)信號(hào)。IGCT與門極驅(qū)動(dòng)器相距很近（間距15cm），使IGCT結(jié)構(gòu)更加緊湊合堅(jiān)固，并可使門極電路的電感進(jìn)一步減小，降低了門極驅(qū)動(dòng)電的成本和效率。門極驅(qū)動(dòng)電路需要20～24V的直流電源。驅(qū)動(dòng)板設(shè)有單獨(dú)的開通電路和關(guān)斷電路。邏輯監(jiān)控電路對(duì)IGCT的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，假如功率開關(guān)器件損壞，通過驅(qū)動(dòng)板上的發(fā)光二極管顯示，若驅(qū)動(dòng)電源有故障，也通過不同的發(fā)光二極管顯示。若電路正常，通過光纖給出高電平，IGCT導(dǎo)通，給出低電平，IGCT關(guān)斷。

    IGCT利用門極脈沖開通，導(dǎo)通機(jī)理及結(jié)構(gòu)與GTO完全一樣，但關(guān)斷機(jī)理與GTO完全不同。當(dāng)GCT工作在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，是一個(gè)像晶閘管一樣的正反饋開關(guān)，其特點(diǎn)是攜帶電流能力強(qiáng)和通態(tài)壓降低。在關(guān)斷時(shí)，GCT能瞬間從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，陽極電壓一旦建立GCT門一陰極PN結(jié)提前進(jìn)入反向偏置，電子便能通過發(fā)射極排出，部分電子在金屬電極界面處復(fù)合，而不注人空穴，此時(shí)無需采用陽極短路就可限制PNP晶體管的發(fā)射效率和增益，拖尾電流雖然大但時(shí)間短（表1為GTO和IGCT的性能比較），從而大大提高了門極觸發(fā)靈敏度，縮短了關(guān)斷時(shí)間，提高了關(guān)斷速度，兼顧了晶體管穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶閘管的低通態(tài)損耗的優(yōu)點(diǎn)，降低了關(guān)斷損耗，并有效地退出工作，整個(gè)器件呈晶體管方式工作。

表1GTO和IGCT性能比較

2.2IGCT逆變器

    IGCT逆變器的拓樸結(jié)構(gòu)為三相三電平，共包括12個(gè)帶組合二極管的IGCT模塊，每相由4只IGCT，8只二極管組成，其中鉗位二極管2只，中點(diǎn)二極管2只，反饋二極管4只。由這些器件組成一個(gè)三電平逆變器如圖2所示。

圖2三電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

    以A相為例，定義電流由逆變器流向電機(jī)方向?yàn)檎较?。給VT1m、VT1A導(dǎo)通觸發(fā)脈沖時(shí)，假如電流為正方向，則P點(diǎn)電流流過主管VT1m、VT1A，輸出端電位等同于P點(diǎn)電位；若電流為反方向，流過續(xù)流二極管VD1m，VD1A，電流注入P點(diǎn)，輸出端電位仍等同于P點(diǎn)電位。給VT1A、VT4A一導(dǎo)通觸發(fā)脈沖時(shí)，假如電流為正方向，則O'點(diǎn)電流流過二極管VD1、主管VT1A，輸出端電位等同于O'點(diǎn)電位；若電流為反方向，電流流過主管VT4A、二極管VD4，注入O'點(diǎn)，輸出端電位仍等同于O'點(diǎn)電位。給VT4A、VT4M導(dǎo)通觸發(fā)脈沖時(shí)，假如電流為正方向，則N點(diǎn)電流流過續(xù)流二極管VD4A、VD4m，輸出端電位等同于N點(diǎn)電位；若電流為反方向，電流流過主管VT4A、VT4m，注入N點(diǎn)，輸出端電位仍等同于N點(diǎn)電位。

    由此可見，每相橋臂的4個(gè)IGCT有3種不同的通斷組合，對(duì)應(yīng)3種不同的輸出電位。設(shè)VT1m與VT1A。導(dǎo)通為模式1接通P，輸出電壓+Ud/2；VT1A與VT4A接導(dǎo)通模式2接通O'，輸出電壓為0；VT4A與VT4m導(dǎo)通為模式3接通N，輸出電壓為-Ud/2。

3提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

    新型礦井提升機(jī)變頻調(diào)速多采用ABB公司的ACS6000SD交-直-交變頻器，帶4000kW同步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案。ACS6000SD驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包含有兩個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同的三電平IGCT變流器，一個(gè)作為PWM整流器（ARU），另一個(gè)作為PWM逆變器（INU），其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3ACS6000SD電路結(jié)構(gòu)圖

    鑒于礦井提升機(jī)的運(yùn)行工藝，提升機(jī)屬往復(fù)運(yùn)動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械，頻繁加、減速，另外礦井提升機(jī)電動(dòng)機(jī)容量達(dá)4000kW，因此系統(tǒng)要求開關(guān)器件路元件數(shù)、熱耗散，從而明顯降低了門極驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓高、工作電流大及通態(tài)損耗低。ACS6000SD系統(tǒng)的IGCT單管交流阻斷電壓達(dá)6000V，瞬時(shí)電流達(dá)4kA，開關(guān)關(guān)斷時(shí)問1s。ACS6000SD是基于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)新型交-直-交電壓型中壓變頻器，功率范圍從3～27MW。整流單元ARU和逆變單元INU的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是完全相同的，不同之處是ARU單元比INU單元多了2塊ASE抗磁飽和電路。

    ACS6000SD系統(tǒng)通過交-直-交變頻器對(duì)礦井提升同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，IGCT在電路中作為變頻器的主開關(guān)器件。變頻器主電路由進(jìn)線側(cè)三電平整流器、中問直流電路、電機(jī)側(cè)三電平逆變器構(gòu)成。該電路具有以下特點(diǎn)：（1）可以實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)為1；（2）在額定負(fù)載下的效率大于97%；（3）可控制同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)為1；（4）逆變器采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，靜態(tài)速度誤差0.01%，動(dòng)態(tài)速度誤差0.2%～0.5%。

    整流單元ARU將變壓器的二次側(cè)交流電壓整流為直流電壓，整流輸出電壓為直流4800V。在直流母線處有儲(chǔ)能電容單元CBU，CBU中的大電容用來存儲(chǔ)能量，用于保證直流回路的電壓恒定。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行模式（電動(dòng)或制動(dòng)），ARU分別從電網(wǎng)獲取能量或向電網(wǎng)注入能量來實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

    功率因數(shù)控制：ARU整流器采用矢量控制策略，通過選擇適當(dāng)ARU脈沖觸發(fā)模式，使變壓器電流與線電壓具有相同的相位，從而使系統(tǒng)的功率因數(shù)為1。變壓器是感性負(fù)載，要使功率因數(shù)為1，就要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，使其總體呈阻性負(fù)載，因此ACS6000SD系統(tǒng)在直流側(cè)增加了CBU電容柜，以容性負(fù)載的超前特性來抵消感性負(fù)載的滯后，這就要求能量能經(jīng)過ARU進(jìn)行流動(dòng)，而ACS6000SD系統(tǒng)也具備了讓ARU反向逆變的功能，使ARU實(shí)現(xiàn)反向逆變功能是由ARU的控制板AMC3來控制的。

    三電平逆變單元將ARU整流輸出的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電壓以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。逆變單元允許4象限運(yùn)行。INU單元的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與ARU整流單元相同，INU逆變器采用的控制策略為基于三電平的直接轉(zhuǎn)矩控制。INU和ARU一樣，其直流側(cè)連接到直流回路的電容上，因此對(duì)整個(gè)系統(tǒng)是對(duì)稱的。由于IGCT關(guān)斷時(shí)正向電流必須迅速歸零，di/dt過大，因此利用鉗位電路來吸收IGCT關(guān)斷時(shí)的能量。

    CBU單元的作用是過濾和平滑直流母線上的直流電壓，儲(chǔ)存逆變器反饋回來的直流電能。CBU單元的主要組成部分如下：

    （1）充電回路由一個(gè)輔助升壓變壓器（輸入660V，輸出為3900V/0.9A）和一個(gè)二極管整流電路組成。作用是在ARU開始工作之前對(duì)直流回路進(jìn)行充電，使直流回路中的直流電壓穩(wěn)定在DC4200V左右，整個(gè)充電過程需要時(shí)間大約為40s。如不對(duì)直流回路進(jìn)行預(yù)充電，ARU開始工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的浪涌電流，對(duì)CBU內(nèi)的電容產(chǎn)生沖擊破壞，同時(shí)對(duì)ARU單元內(nèi)的IGCT器件構(gòu)成威脅。

    （2）電容組是CBU的主要部分，它直接連接在直流側(cè)的正極（DC+）與中性點(diǎn)（NP）、中性點(diǎn)與負(fù)極（DC-）之間。ACS6000SD系統(tǒng)的直流側(cè)電容的數(shù)量取決于系統(tǒng)容量的要求，例如配置6個(gè)電容可以達(dá)到9MV·A的系統(tǒng)容量，每個(gè)電容的容量為1.6mF（2700V/260A）。

4皮帶機(jī)運(yùn)行原理概述

    強(qiáng)力皮帶機(jī)是礦山運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，其多電機(jī)拖動(dòng)功率平衡分配是主要問題，本文主要介紹了合康HIVERT系列通用變頻器在礦山強(qiáng)力皮帶機(jī)上的應(yīng)用。

    帶式輸送機(jī)是利用傳動(dòng)滾筒和輸送帶之間的摩擦力，驅(qū)動(dòng)輸送帶運(yùn)行的連續(xù)的運(yùn)輸設(shè)備。輸送帶既是牽引構(gòu)件又是承載構(gòu)件。

    國內(nèi)現(xiàn)有大多數(shù)煤礦的皮帶輸送機(jī)一般都采用工頻拖動(dòng)，較少使用變頻器驅(qū)動(dòng)。由于電機(jī)長期工頻運(yùn)行加之液力耦合器效率等問題，造成皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行起來非常不經(jīng)濟(jì)；同時(shí)由于電機(jī)無法采用軟起軟停，在機(jī)械上產(chǎn)生劇烈沖擊，加速機(jī)械的磨損；還有皮帶、液力耦合器的磨損和維護(hù)等問題都會(huì)給企業(yè)帶來很大數(shù)額的費(fèi)用問題。這對(duì)于現(xiàn)在創(chuàng)建節(jié)能型社會(huì)是不相符合的，對(duì)煤礦企業(yè)的皮帶輸送機(jī)進(jìn)行變頻改造對(duì)節(jié)約社會(huì)能源、增加煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都具有非?，F(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。隨著高壓變頻技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。本文主要結(jié)合北京合康變頻器的HIVERT系列通用高壓變頻器在某礦山煤礦皮帶機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)高壓變頻器在皮帶傳動(dòng)場合的應(yīng)用特點(diǎn)和注意事項(xiàng)進(jìn)行簡要介紹。

5應(yīng)用現(xiàn)場的基本情況

    某煤礦隸屬于四川礦業(yè)集團(tuán)有限公司，如圖4所示；煤礦礦井結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。強(qiáng)力皮帶機(jī)數(shù)據(jù)，如表2所示；兩臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)一致，如表3所示。

圖4煤礦外景

圖5煤礦礦井強(qiáng)力皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)圖

表2強(qiáng)力皮帶機(jī)的數(shù)據(jù)

表3雙臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)

6礦山皮帶機(jī)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)場圖

    （1）拖動(dòng)電機(jī)1和電機(jī)2，如圖6所示。

圖6電機(jī)M1和M2現(xiàn)場圖

    （2）拖動(dòng)滾筒和逆止器，如圖7所示。

圖7滾筒和逆止器現(xiàn)場圖

    （3）盤形制動(dòng)器，如圖8所示。

圖8盤形制動(dòng)器現(xiàn)場圖

    （4）運(yùn)輸強(qiáng)力皮帶，如圖9所示。

圖9強(qiáng)力皮帶現(xiàn)場圖

7煤礦皮帶機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

    皮帶機(jī)多機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心問題是皮帶系統(tǒng)中各電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩平衡問題。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)場工藝不同，可以選擇不同的變頻控制方案。

    （1）“一拖二”方案

    此方案是采用一臺(tái)變頻器同時(shí)拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，將各個(gè)電機(jī)定子繞組直接并聯(lián)在一臺(tái)變頻器輸出測。

    “一拖二”方案中，變頻器無法對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行獨(dú)立的控制，因此各電機(jī)的出力由電機(jī)的參數(shù)和皮帶參數(shù)決定；其中，影響電機(jī)功率平衡的主要因素是電機(jī)的參數(shù)差異和拖動(dòng)滾筒及皮帶的包絡(luò)角差異；正常情況下，包絡(luò)角的大小只存在設(shè)計(jì)上及加工上的差異，但是當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行后，由于提升的貨物是潮濕的，皮帶在卸貨物后，上面仍殘留一些煤渣，這時(shí)候轉(zhuǎn)到拖到滾筒上，就會(huì)使拖動(dòng)滾筒直徑變大；誤差越大，系統(tǒng)中電機(jī)的功率差異就會(huì)越大。

    采用“一拖二”方案有以下三個(gè)弊端：一是變頻器不能有效的分配兩臺(tái)電機(jī)的功率；二是需要用戶經(jīng)常清理拖動(dòng)滾筒的煤渣及雜物；三是變頻器不能有效的保護(hù)每一臺(tái)電機(jī)。

    （2）“雙機(jī)聯(lián)動(dòng)”方案

    此方案采用兩臺(tái)變頻器分別拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，將各個(gè)電機(jī)定子繞組直接分別接在兩臺(tái)變頻器輸出測。

    雙機(jī)聯(lián)動(dòng)同步運(yùn)行變頻系統(tǒng)是由完全獨(dú)立的兩臺(tái)變頻器通過主、從機(jī)的同步通訊方式保證雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速、以及功率平衡的。兩臺(tái)電機(jī)中任意一臺(tái)都可作為主機(jī)，另一臺(tái)為從機(jī)。

    雙機(jī)拖動(dòng)方案中，變頻器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩都能獨(dú)立控制，主從變頻器通訊采用光纖通訊，抗干擾能力強(qiáng)，通訊速率快，用戶可不必清理拖動(dòng)滾筒的煤渣及雜物，變頻器主從之間可以自動(dòng)來調(diào)整變頻器輸出轉(zhuǎn)速及功率一致。

8HIVERT系列通用高壓變頻器現(xiàn)場應(yīng)用情況

    （1）變頻器的選擇

    綜合現(xiàn)場工藝要求，由于現(xiàn)場強(qiáng)力皮帶機(jī)無負(fù)力，故采用雙臺(tái)合康HIVERT系列通用高壓變頻器。變頻器數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4變頻器數(shù)據(jù)

    變頻器功率額定電壓額定電流輸出頻率

    （2）合康變頻器雙機(jī)聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)

    雙機(jī)聯(lián)動(dòng)（主從控制）同步運(yùn)行變頻系統(tǒng)是由完全獨(dú)立的兩臺(tái)或者多臺(tái)變頻器通過主、從機(jī)的同步通訊方式保證雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速、以及功率平衡的。兩臺(tái)電機(jī)中任意一臺(tái)都可作為主機(jī)，另一臺(tái)為從機(jī)，主從機(jī)之間的同步控制是由我公司自行研發(fā)生產(chǎn)的“內(nèi)嵌式同步控制器”實(shí)現(xiàn)的。同步控制的傳輸介質(zhì)為光纖通訊；此種雙機(jī)通訊方式無需增加額外的繁雜的同步設(shè)備，且已經(jīng)在變頻器內(nèi)置完成，只需要簡單的安裝操作及設(shè)置就可實(shí)現(xiàn)雙（多）機(jī)同步運(yùn)行。    

    主、從電機(jī)在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)由工況引起的功率不對(duì)稱分配，某臺(tái)電機(jī)出力嚴(yán)重超過電動(dòng)機(jī)的額定功率，而另一臺(tái)電機(jī)則會(huì)過度輕載運(yùn)行。主、從電機(jī)非同步運(yùn)行很容易造成運(yùn)行設(shè)備的損壞。且長期運(yùn)行后，超載運(yùn)行的電機(jī)也會(huì)出現(xiàn)過熱、過載保護(hù)、過流現(xiàn)象或停機(jī)等事故發(fā)生。為避免功率分配的不對(duì)稱出現(xiàn)，HIVERT高壓變頻器通過內(nèi)置的高速同步通訊，可將非同步狀態(tài)下輸出功率較大電機(jī)的超載功率部分及時(shí)平衡到輕載電機(jī)上，實(shí)時(shí)保持前后主、從電機(jī)功率均衡對(duì)稱分配，動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)整，由此實(shí)現(xiàn)主、從變頻器的同步運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到雙電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行的目的。

    （3）現(xiàn)場變頻器系統(tǒng)框圖，如圖10所示。

圖10現(xiàn)場變頻器框架圖

    （4）現(xiàn)場功率平衡的解決方案

    變頻器多機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)的功率平衡成為運(yùn)行中的控制重點(diǎn)。

    HIVERT系列通用高壓變頻器采用光纖通訊，通訊速率達(dá)500kbps，足以應(yīng)付現(xiàn)場的通訊需求，并加入CRC校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

    HIVERT系列通用高壓變頻器，當(dāng)主機(jī)接收到正常啟動(dòng)信號(hào)后，主機(jī)啟動(dòng)變頻器，同時(shí)將運(yùn)行信號(hào)，運(yùn)行頻率及轉(zhuǎn)矩電流發(fā)送給從機(jī)，從機(jī)按照主機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)正常啟動(dòng)、運(yùn)行、輸出轉(zhuǎn)矩的控制，從機(jī)本身具備轉(zhuǎn)矩電流的調(diào)節(jié)，同時(shí)將自身的轉(zhuǎn)矩電流與主機(jī)發(fā)送過來的轉(zhuǎn)矩電流做比較，從機(jī)會(huì)自動(dòng)調(diào)整自身的運(yùn)行頻率，從而達(dá)到兩臺(tái)變頻器的功率平衡。主機(jī)的運(yùn)行界面如圖11所示；從機(jī)的運(yùn)行界面如圖12所示。

    （a）有故障時(shí)的開機(jī)界面

    （a）正常工作時(shí)的開機(jī)界面

圖11主機(jī)運(yùn)行界面

圖12從機(jī)運(yùn)行界面

    斜井強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)是煤礦輸送的重要工具，在煤炭生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。作為高壓變頻系統(tǒng)在輸送機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，如何使兩臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)的皮帶機(jī)協(xié)調(diào)安全運(yùn)行是重中之重。新疆建設(shè)兵團(tuán)塔什店煤礦強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)高壓變頻電控系統(tǒng)中（見圖13的主回路），由兩臺(tái)高壓變頻器帶動(dòng)皮帶提升機(jī)。以下是在調(diào)試時(shí)，雙機(jī)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行所遇到問題及解決方案。

    啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，雖然電控系統(tǒng)給定的兩臺(tái)變頻器的速度一致，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，總是存在兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行的速度不一致，使其中一臺(tái)機(jī)械速度高的電機(jī)因過負(fù)荷而變頻器過電流跳閘，負(fù)荷過輕（因運(yùn)行速度低）的一臺(tái)變頻器過電壓而跳閘保護(hù)。圖13為電氣一次圖及皮帶提升機(jī)械簡圖。

（a）電氣原理圖（b）斜井皮帶提升原理圖

圖13煤礦強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)高壓變頻電控系統(tǒng)

    塔什店煤礦強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)電氣及機(jī)械參數(shù)如下：

    膠帶機(jī)運(yùn)輸機(jī)

    滾筒直徑：2m

    輸送傾角：20°30″

    最大長度：1310m

    帶速：2.5m/s

    主電機(jī)型號(hào)：YB450-4

    總功率：2X400kW

    額定電壓/電流：10000V/28.6A

    額定轉(zhuǎn)速：1485r/min

    減速機(jī)型號(hào)：ZSY(a)560(t)-45-Ⅱ

    速比：62

    高壓真空開關(guān)柜

    型號(hào)：KGS1-02DS

    皮帶主控臺(tái)

    型號(hào)：JPDK-ZN-ZKP

    高壓變頻器

    型號(hào)：HIVERT-Y10/036

    額定電壓/電流：10000V/36A

    輸出頻率：0-50Hz

    現(xiàn)場雙機(jī)拖動(dòng)皮帶的示意圖如圖14所示。

圖14雙機(jī)拖動(dòng)皮帶的現(xiàn)場示意圖

9變頻器產(chǎn)生過電壓的原因

    （1）主要是來自負(fù)載側(cè)的過電壓

    當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)皮帶機(jī)并行運(yùn)行時(shí),如果其中一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行的速度超前于另一臺(tái)電機(jī)的速度，會(huì)使第二臺(tái)電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)。即電機(jī)處于機(jī)械轉(zhuǎn)速比變頻輸出頻率決定的同步轉(zhuǎn)速高的狀態(tài)時(shí)，負(fù)載的傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，通過2個(gè)逆變器的續(xù)流二極管回饋到變頻器功率單元的中間直流回路中。此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)，同時(shí)高壓變頻器串聯(lián)疊波方式的特點(diǎn)，電壓升高會(huì)集中在中性點(diǎn)上，單元A1、B1、C1的直流母排上；如果變頻器中直流均壓電阻不足以抵消這些能量，這些能量將會(huì)導(dǎo)致中性點(diǎn)上的直流回路的電壓上升，達(dá)到限值即會(huì)保護(hù)跳閘。

    過電壓保護(hù)是變頻器直流母排上直流電壓達(dá)到危險(xiǎn)程度后采取的保護(hù)措施，變頻器過電壓的危害,對(duì)直流回路濾波電容器壽命有直接影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電容器爆裂。因而在高壓變頻器中一般將功率單元的直流回路過電壓值（L+，L-）限定在AC1150V左右，一旦其電壓超過限定值，變頻器將按限定要求跳閘保護(hù)。

    （2）來自進(jìn)線電源輸入側(cè)的過電壓

    正常電網(wǎng)輸入的電源電壓為10kV，允許誤差為-5%～+10%，輸入主隔離變壓器后，付繞組每個(gè)繞組電壓為640V，三相橋式全波整流后直流的峰值為820V，個(gè)別情況下電源線電壓達(dá)到705V，其峰值電壓也只有996V，并不算很高，一般進(jìn)線電源電壓（+15%）不會(huì)使變頻器因過電壓跳閘。電源輸入側(cè)的過電壓主要是指電源側(cè)的沖擊過電壓，和雷電引起的操作過電壓等，主要特點(diǎn)是電壓變化率dV/dt和幅值都很大。

10變頻器過電壓故障分析及處理對(duì)策

    當(dāng)變頻器啟動(dòng)頻率加速時(shí)間設(shè)定不合適，在啟動(dòng)的瞬間，兩臺(tái)變頻器不是運(yùn)行在相同頻率（變頻器在加速過程中，皮帶機(jī)上兩個(gè)電機(jī)拖動(dòng)同一個(gè)負(fù)載，由于沒有負(fù)荷分配，如其中一臺(tái)出現(xiàn)啟動(dòng)瞬時(shí)電流非常大，輸出電流達(dá)到變頻器限電流超過了設(shè)定的上限值，此時(shí)變頻器的輸出頻率將不再上升，暫緩加速，待輸出電流下降到設(shè)定限流值以下后再繼續(xù)加速。），以至于其中的一臺(tái)變頻器的運(yùn)行頻率高于另一臺(tái)頻率，在較嚴(yán)重時(shí)兩臺(tái)電機(jī)頻率可以相差0.2Hz，此時(shí)足以使一臺(tái)變頻器過電流或另一臺(tái)變頻器過壓。

    （1）首先解決雙電機(jī)機(jī)械速度一致的問題

    這種情況在調(diào)試過程中，解決是兩臺(tái)電機(jī)的過壓問題，要使兩臺(tái)變頻器同時(shí)輸出，在他們之間內(nèi)部增加控制單元，解決同頻同速的問題。其控制原理是：分別檢測兩臺(tái)電機(jī)的輸出電流及兩臺(tái)變頻器的過電壓，在同時(shí)啟動(dòng)的過程中，通過放大過負(fù)荷能力，同時(shí)盡可能使負(fù)荷分配一致，這樣他們的運(yùn)行頻率（速度）一致。這樣避免或減少其中一臺(tái)電機(jī)多余能量向中間直流回路饋送，使其過電壓的程度限定在允許的限值之內(nèi)。

    （2）其次降低工頻電源電壓

    目前變頻器電源側(cè)一般采用不可控整流橋，電源電壓高，中間直流回路電壓也高，電源電壓為690V時(shí)，直流回路電壓分別為910V。塔什溝礦變頻器距離變壓器很近，變頻器輸入電壓高，對(duì)變頻器中間直流回路承受過電壓能力影響很大，在這種情況下，可以將變壓器的分接開關(guān)放置在高壓檔（10.5kV），通過適當(dāng)降低電源電壓的方式，達(dá)到相對(duì)提高變頻器過電壓能力的目的。

    在二象限電壓型高壓變頻器系統(tǒng)中，由于能量的不可逆特點(diǎn)，直流過電壓是她的一個(gè)弱點(diǎn)，尤其是在礦井皮帶機(jī)雙電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中。關(guān)鍵是要分清原因，結(jié)合變頻器本身參數(shù)、控制系統(tǒng)狀況和工藝流程等情況，才能制定相應(yīng)的對(duì)策。

11結(jié)語

    IGCT變頻器是基于雙PWM的三電平變頻器調(diào)速裝置。整流橋側(cè)采用矢量控制技術(shù)，可以大大減小整流側(cè)的電流諧波，任意調(diào)整電網(wǎng)側(cè)的輸入功率因數(shù)以及實(shí)現(xiàn)4象限運(yùn)行；逆變器側(cè)采用DTC控制，其輸出的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)更快；使用三電平技術(shù)，使輸出線電壓波形更加接近正弦波，變頻器中的IGCT承受的電壓僅為直流電壓的一半，這樣將變頻器的電壓和容量提高一倍。故IGCT變頻器非常適用于高電壓、大容量的礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其提升效率明顯高于同類型設(shè)備，能耗大幅度下降。經(jīng)過變頻技術(shù)改造后皮帶機(jī)運(yùn)行良好，徹底實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)力皮帶輸送機(jī)的軟起、軟停運(yùn)行方式以及轉(zhuǎn)速和功率平衡雙閉環(huán)的調(diào)節(jié)，大大提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)和系統(tǒng)效率。改造后系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載變化情況自動(dòng)調(diào)整輸出頻率和輸出力矩，改變了以前電機(jī)工頻恒速運(yùn)行的模式，在很大程度上節(jié)約了電力能源。經(jīng)過改造后的運(yùn)行，事實(shí)證明HIVERT系列通用高壓變頻器有著無法比擬的優(yōu)越的產(chǎn)品性能和無法超越的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，在煤炭行業(yè)的節(jié)能改造中應(yīng)用能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益，對(duì)于創(chuàng)建節(jié)能環(huán)保型的社會(huì)發(fā)揮著重要的作用。