摘要：介紹四象限運行高壓變頻器的矢量控制原理，在煤礦副井絞車中的運用，改造，以及節(jié)能等效果 關(guān)鍵詞：高壓變頻器 煤礦 運用 一、概述 目前礦用交流提升機(jī)普遍使用繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制系統(tǒng)。在減速和重物下放時能量通過轉(zhuǎn)子電阻釋放，能量不能回饋回電網(wǎng)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交-直-交電壓型變頻調(diào)速技術(shù)已開始在礦井提升機(jī)中應(yīng)用。HIVERT-YVF06/077大功率變頻器是北京合康億盛科技有限公司研發(fā)和生產(chǎn)的高壓交流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動裝置。該變頻器采用了先進(jìn)成熟的低壓變頻技術(shù)，以及功率單元串聯(lián)疊波、矢量控制技術(shù)、有源逆變能量回饋技術(shù)等。 二、矢量控制原理 HIVERT-YVF采用轉(zhuǎn)子帶速度反饋的矢量控制技術(shù)。在轉(zhuǎn)子磁場定位坐標(biāo)下電機(jī)定子電流分解成勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流。維持勵磁電流不變，控制轉(zhuǎn)矩電流也就控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)轉(zhuǎn)速采用閉環(huán)控制。實際運行中給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值通過PID調(diào)節(jié)生成轉(zhuǎn)矩電流IT。經(jīng)過矢量變換將IT、IM變換為電機(jī)三相給定電流Ia＊、Ib＊、Ic＊，它們與電機(jī)運行電流相比較生成三相驅(qū)動信號。控制原理框圖如圖1 [align=center] 圖1 控制原理圖[/align] 1、主回路 HIVERT系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關(guān)元件為IGBT。HIVERT變頻器采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。 [align=center] 圖2 HIVERT-YVF06/077高壓變頻器6kV系列主電路圖[/align] 主隔離變壓器原邊為Y型接法，直接與高壓相接。 組數(shù)量依變頻器電壓等級及結(jié)構(gòu)而定，6kV系列為18，延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源輸入。輸入側(cè)隔離變壓器二次線圈經(jīng)過移相，為功率單元提供電源，對6KV而言相當(dāng)于36脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網(wǎng)側(cè)諧波（尤其是低次諧波）的產(chǎn)生。 變頻器輸出是580VAC功率單元六個串聯(lián)時產(chǎn)生3450V相電壓，線電壓6000V，輸出Y接，中性點懸浮，得到驅(qū)動電機(jī)所需的可變頻三相高壓電源。 圖3為6kV六單元變頻器輸出的Uab線電壓波形實錄圖，圖4即為輸出電流Ia的實錄波形圖，峰值電流130A。 [align=center] 圖3 輸出線電壓波形[/align] [align=center] 圖4 輸出電流波形[/align] 2、功率單元 每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，HIVERT-YVF系列產(chǎn)品具備100%定額功率的能量回饋能力， 功率單元原理見圖5。 [align=center] 圖5 單元結(jié)構(gòu)圖[/align] 圖中：R：三相啟動電阻 K：三相接觸器 C：濾波電容 L：濾波電感 功率單元利用IGBT進(jìn)行同步整流，同步整流控制器實時檢測單元電網(wǎng)輸入電壓，利用鎖相控制技術(shù)得到電網(wǎng)輸入電壓相位，控制整流逆變開關(guān)管Q1～Q6所構(gòu)成的相位與電網(wǎng)電壓的相位差，便可控制電功率在電網(wǎng)與功率單元之間的流向。以a相為例，若要控制a相電流正方向流動且幅值增大，必須使Q2導(dǎo)通，若要控制a相電流反方向流動且幅值減小，必須關(guān)斷Q1，使電流通過Q2并聯(lián)的續(xù)流二極管，當(dāng)電機(jī)處于減速運行狀態(tài)或負(fù)力提升時，由于負(fù)載慣性作用進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器中開關(guān)元件和續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，電容器上的直流電壓達(dá)到有源逆變起動的門檻電壓時，自動起動有源逆變，這時逆變相位超前，功率單元將電機(jī)及其負(fù)載的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，回饋到電網(wǎng)中去。 反之則電功率由電網(wǎng)注入功率單元，電功率大小與相位差成正比。電功率的大小及流向由單元電壓決定，就同步整流而言，整流側(cè)相當(dāng)于一個穩(wěn)壓電源，與電功率大小及方向相對應(yīng)的電網(wǎng)與逆變相位差由單元電壓與單元整定值之間的偏差通過PID調(diào)節(jié)生成。 單元逆變輸出由Q7～Q10組成，采用矢量正弦波脈寬調(diào)制（PWM）方式，控制Q7～Q10IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出單相脈寬調(diào)制正弦波形。 3、控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由控制器，IO板和人機(jī)界面組成。控制器由三塊光纖板，一塊信號板，一塊主控板和一塊電源板組成。光纖板通過光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發(fā)出脈寬調(diào)制（PWM）信號或工作模式。單元通過光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號，并在故障時向光纖板發(fā)出故障代碼信號。 信號板采集變頻器的輸出電壓、電流信號和光電編碼盤信號，并將模擬信號隔離、濾波和量程轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號用于變頻器控制、保護(hù)，以及提供給主控板數(shù)據(jù)采集。 主控板采用高速單片機(jī)，完成對電機(jī)控制的所有功能，運用正弦波空間矢量方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令。通過RS232通訊口與人機(jī)界面主控板進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，提供變頻器的狀態(tài)參數(shù)，并可網(wǎng)絡(luò)化控制。通過主控板和IO接口板通訊來的數(shù)據(jù)，計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數(shù)，并實現(xiàn)對電機(jī)的過載、過流告警和保護(hù)。通過RS232通訊口與主控板連接，通過RS485通訊口與IO接口板連接，實時監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。 三、設(shè)備改造方案及現(xiàn)場試驗過程 1、設(shè)備改造方案 現(xiàn)有設(shè)備情況： 改造前副井絞車的設(shè)備配置：焦作華飛全數(shù)字直流控制臺一臺，兩臺6kv， 630kw主電機(jī)，一用一備 （1）、設(shè)計利用原有操作臺控制原有電控系統(tǒng)和現(xiàn)用的高壓變頻裝置，利用一臺開關(guān)柜可以切換新老系統(tǒng)；用另一臺開關(guān)柜可以切換兩臺主電機(jī)，主控臺主令手把控制的高速計數(shù)器產(chǎn)生的正反向脈沖數(shù)值量通過FX2N-4DA數(shù)摸轉(zhuǎn)換為4—20mA電流信號，控制變頻器的運行頻率，主控臺手把的正反向位置控制變頻的正反向啟動與停車。根據(jù)煤礦安全規(guī)程速度規(guī)定，我礦絞車等段速頻率控制在46.66Hz。 （2）、高壓變頻器運行過程中的頻率、電機(jī)電流、電壓、各種輕重故障，通過與主控臺PLC的通訊，在操作臺上進(jìn)行顯示，方便司機(jī)與維修工監(jiān)視絞車的運行狀態(tài)與故障記憶。 （3）、我礦副井井筒罐道為組合罐道，絞車在正常停車位置啟動后，罐籠從穩(wěn)罐道脫離（穩(wěn)罐道長度5m）后，進(jìn)入組合罐道以及罐籠在井底從組合罐道脫離進(jìn)入穩(wěn)罐道時，銜接時如速度過高容易產(chǎn)生振動以及絞車在停車時，由于閘的空行程停車瞬間對絞車也容易產(chǎn)生振動。為避免上述情況采用方案如下： 通過操作臺PLC編程控制FX2N-4DA輸出，從而控制變頻器在整個運行過程中的運行頻率。在啟動時前5m內(nèi)頻率自動控制為0.2Hz→2.7Hz速度為0.45m/s；加速段頻率從2.7Hz—46.6Hz，速度從0.45m/s→7.66m/s，加速時間13s；減速段頻率從46.66Hz→2.7Hz，速度從7.66m/s降到0.45m/s，減速時間14秒，確保在距井底5米內(nèi)速度降到0.45m/s，接近井口1m頻率1.2Hz，速度降為0.2m/s。整個運行曲線如下： [align=center] 圖六 運行曲線[/align] 通過以上偏移控制，絞車整體運行非常平穩(wěn)。 2、現(xiàn)場負(fù)荷實驗數(shù)據(jù) （1）、2.3T負(fù)載數(shù)據(jù)：在罐籠上加一個2.3T中的重車，用控制臺低速、半速、全速反復(fù)幾次開車，記錄輸出電流和輸出電壓等參數(shù) （2）、4.6T負(fù)載數(shù)據(jù)：在罐籠上加兩個2.3T中的重車，用控制臺低速、半速、全速反復(fù)幾次開車，記錄輸出電流和輸出電壓等參數(shù) （3）、11T單鉤提升負(fù)載數(shù)據(jù)：在罐籠上加兩個2.3T中的罐車，用低速單鉤提升的辦法，來檢驗變頻器最大輸出轉(zhuǎn)矩能否在最特殊的情況下提升。 （4）現(xiàn)場拍攝的速度圖如下 四、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 我礦于2006年10月15日停產(chǎn)檢修期間在副井安裝了一套高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)，現(xiàn)已改造完畢。該高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)在我礦副井投入運行以來，不僅大大提高了副井系統(tǒng)的安全性和可靠性，速度曲線平穩(wěn)，確保了副井提升機(jī)高質(zhì)量運行，而且其技術(shù)性能達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，具有能量回饋電網(wǎng)功能，節(jié)能效果顯著。原我礦副井使用交流電控系統(tǒng)每月平均用電量3.1萬度,現(xiàn)使用高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)每月平均用電量2.33萬度,節(jié)電0.77萬度，節(jié)電率為25%。該裝置可應(yīng)用于需要四象限反饋、動態(tài)響應(yīng)快、低速運行轉(zhuǎn)矩大等高精度場合。具有瞬時停電跟蹤功能，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動。低速輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，保護(hù)功能齊全，可靠性高，故障率低，維護(hù)方便等優(yōu)點。由于采用了高壓變頻控制技術(shù)，整個運行過程平穩(wěn)，無級調(diào)速，乘坐舒適，減少了機(jī)械的沖擊，延長了設(shè)備使用壽命，產(chǎn)生了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)及社會效益。礦山提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有控制性能優(yōu)良、操作簡便、運行效率高、維護(hù)工作量小等諸多優(yōu)點,隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟與能源節(jié)約要求的必然趨勢，它正成為礦山提升機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向。