摘要：本文介紹了高壓變頻器在沈家灣煤礦提升絞車上的應(yīng)用情況,對(duì)高壓提升變頻調(diào)速系統(tǒng)改造過(guò)程及效果作了論述。

1原礦山提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介

沈家灣煤礦隸屬于湖南省煤業(yè)集團(tuán)下轄的耒陽(yáng)市紅衛(wèi)煤業(yè)公司。沈家灣煤礦原有一臺(tái)礦井提升機(jī)，提升絞車已有50余年，絞車電機(jī)采用串電阻調(diào)速方式，絞車機(jī)械磨損大，且經(jīng)常出現(xiàn)故障。因此，礦領(lǐng)導(dǎo)決定對(duì)對(duì)原絞車系統(tǒng)和電機(jī)進(jìn)行更換。經(jīng)過(guò)多方考察決定，電控系統(tǒng)采用變頻調(diào)速技術(shù)為核心的控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)招標(biāo)方式，選擇了新風(fēng)光電子有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-300T（300kW/6kV）高壓提升機(jī)變頻器，對(duì)該井絞車進(jìn)行調(diào)速控制，2011年11月利用生產(chǎn)間隙進(jìn)行改造，風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器一次性成功投入使用，至今運(yùn)行正常，保障了煤礦安全生產(chǎn)。提升絞車拖動(dòng)新電機(jī)參數(shù)如表1所示。

2新風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻系統(tǒng)介紹

新風(fēng)光電子公司是國(guó)內(nèi)最早的從事提升機(jī)變頻器研究的專業(yè)廠家。產(chǎn)品電壓等級(jí)涵蓋從380V到10000V，功率等級(jí)幾十千瓦到幾千千瓦。風(fēng)光提升機(jī)變頻器為科技部列入國(guó)家火炬計(jì)劃項(xiàng)目，風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器填補(bǔ)了單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器不能四象限運(yùn)行的國(guó)內(nèi)空白，產(chǎn)品技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄中，專門(mén)介紹了新風(fēng)光公司的礦山提升機(jī)變頻調(diào)速節(jié)電技術(shù)。

風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器為采用先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，可以控制電機(jī)在四象限運(yùn)行，加速時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出；而減速時(shí)，輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，回饋至電網(wǎng)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。礦領(lǐng)導(dǎo)為了考慮留取一定的安全裕量，選用風(fēng)光JD-BP37-300T（300kW/6kV）高壓提升機(jī)變頻器，對(duì)絞車進(jìn)行拖動(dòng)。高壓提升機(jī)變頻器具體參數(shù)如表2所示。

風(fēng)光JD-BP37-300T型高壓提升機(jī)變頻器采用進(jìn)口IGBT為主控器件，采用先進(jìn)的矢量控制調(diào)速技術(shù)，以DSP為控制核心，精心巧妙科學(xué)的程序邏輯，以彩色液晶觸摸屏為人機(jī)對(duì)話界面，科學(xué)人性化的界面語(yǔ)言，全中文的語(yǔ)言顯示，便于操作及查詢。風(fēng)光牌高壓提升機(jī)變頻器，即可用于鼠籠式電機(jī)也可用于繞線式電機(jī)，即可用于新礦井配套安裝，也可用于老礦井改造。

風(fēng)光6kV高壓提升機(jī)變頻器，采用若干個(gè)低壓逆變器功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出，移項(xiàng)變壓器有18組付邊繞組，每相分為6個(gè)功率單元，三相共18個(gè)單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)規(guī)定。高壓提升變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。功率單元電路如圖2所示。

系統(tǒng)控制器核心由高速32位芯片運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。人機(jī)界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。PLC控制器用于柜體內(nèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。控制器及各控制單元板中采用先進(jìn)的單片機(jī)等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。

圖1高壓提升變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2功率單元電路結(jié)構(gòu)

另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個(gè)功率單元的控制電源采用一個(gè)獨(dú)立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

高壓提升變頻器是整個(gè)電控系統(tǒng)的一個(gè)核心部分，它具有與電控系統(tǒng)相適配的各種接口。它接受操作臺(tái)電控系統(tǒng)的操作命令，同時(shí)它又將運(yùn)行狀態(tài)，包括工作頻率、電機(jī)電流、電源電壓、電流及故障信息隨時(shí)送給電控系統(tǒng)。變頻器本身又將工作信號(hào)及工作狀態(tài)自動(dòng)記錄以備查閱，依據(jù)用戶要求連接打印設(shè)備，每班數(shù)據(jù)打印，形成設(shè)備報(bào)表。變頻器的所有輸入、輸出接口均進(jìn)行了隔離，避免對(duì)變頻器引入干擾。當(dāng)電機(jī)處于負(fù)力提升時(shí)，變頻器實(shí)時(shí)檢測(cè)進(jìn)行能量回饋電網(wǎng)。

3風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器的突出特點(diǎn)

風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器除具有普通高壓變頻器的功能外，還針對(duì)絞車控制，具有以下突出特點(diǎn)：

（1）電源輸入勵(lì)磁涌流限制技術(shù)：該技術(shù)使得系統(tǒng)在每次上高壓電時(shí)的沖擊電流小，對(duì)電網(wǎng)的沖擊也很小。

（2）系統(tǒng)斷電自動(dòng)保護(hù)技術(shù)：確保任何情況下系統(tǒng)都能安全運(yùn)行。如果沒(méi)有：提升機(jī)重載下放過(guò)程中，遇到系統(tǒng)停電時(shí)，會(huì)造成單元損壞甚至整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

（3）變頻裝置為直接高-高結(jié)構(gòu)，直接6kV輸入，直接6kV輸出，可以直接安裝使用，不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任何改造。

（4）功率單元自動(dòng)旁路技術(shù)：在提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，意外出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)功率單元故障時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)將故障單元旁路，系統(tǒng)進(jìn)入星點(diǎn)偏移控制，保持輸出的線電壓平衡，同時(shí)保持最大輸出轉(zhuǎn)矩、電壓，完成本次提升任務(wù)。

（5）獨(dú)立的控制電源技術(shù)：獨(dú)立的控制電源技術(shù)，系統(tǒng)在不上高壓電的情況下可以檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的波形和調(diào)試、培訓(xùn)等，方便用戶自行檢修和維護(hù)。

（6）空載低損耗控制技術(shù)：變頻系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)下，空載損耗小，經(jīng)實(shí)測(cè)比通用技術(shù)產(chǎn)品要低2～3倍。

（7）采用矢量控制技術(shù)，電機(jī)可四象限運(yùn)行，具有不施閘懸停和力矩預(yù)置技術(shù)。

（8）承諾可以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)：1～2個(gè)單元故障可以旁路，完成一個(gè)提升循環(huán)。提升機(jī)滿載、全速提升和下放時(shí)，電源停電試驗(yàn)，變頻器確保不損壞。

（9）風(fēng)光變頻器單元內(nèi)電解電容因采取了本公司的專利技術(shù)（專利號(hào)ZL20032017356.2），可將其使用壽命提高一倍。

（10）提升機(jī)變頻器具有回饋制動(dòng)、直流制動(dòng)、安全制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)等多項(xiàng)制動(dòng)方式，保證了絞車可靠運(yùn)行。

（11）具有完備的與電控系統(tǒng)對(duì)接的各個(gè)接口，實(shí)現(xiàn)與絞車電控系統(tǒng)無(wú)縫連接。

4改造過(guò)程

改造工程流程如下：先把變頻器安裝到位，進(jìn)行主回路線路改造，然后進(jìn)行操作臺(tái)的固定安裝，連接操作臺(tái)與變頻器之間的連線，調(diào)試操作臺(tái)與變頻器的信號(hào)傳遞，正常后把變頻器和操作臺(tái)聯(lián)入到原操作系統(tǒng)中統(tǒng)調(diào)，帶重載調(diào)試這是改造中的重點(diǎn)部分。整個(gè)改造工程流程如圖3所示：

圖3改造流程圖

5礦井提升機(jī)變頻改造方案

5.1主回路控制方案

主回路接線原理如圖4所示：

圖4主回路圖

圖4中K1、K3為二臺(tái)高壓隔離開(kāi)關(guān)，當(dāng)高壓變頻器檢修時(shí)，保證檢修工的人身安全。為了保證安全，變頻器高壓連跳信號(hào)和上一級(jí)的高壓斷路器也實(shí)現(xiàn)互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級(jí)高壓斷路器的脫扣線圈，變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，上一級(jí)的高壓斷路器斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)高壓故障連跳功能。

5.2變頻器與操作臺(tái)接口

變頻器與電控系統(tǒng)連接框圖如圖5所示。

（1）開(kāi)關(guān)量輸入

系統(tǒng)提供五個(gè)多速段輸入。

（2）模擬量輸出

系統(tǒng)提供兩路模擬輸出，模擬量輸出設(shè)定為4～20mA輸出電流和4～20mA輸出頻率。

（3）與操作臺(tái)遠(yuǎn)程控制

上提、下放、抱閘（松閘）、安全回路輸入、安全回路輸出（變頻異常）、變頻就緒、變頻運(yùn)行、變頻報(bào)警、故障輸出。

圖5變頻器與電控系統(tǒng)連接框圖

電控給變頻的信號(hào)有：①正向使能（上提信號(hào)），②反向使能（下放信號(hào)），③電控等外圍設(shè)備異常急停信號(hào)（安全回路信號(hào)），④系統(tǒng)工作閘信號(hào)，⑤電控給變頻的調(diào)速4-20mA模擬信號(hào)（或0-5V信號(hào)）。

變頻器給電控的信號(hào)有：①變頻就緒，②變頻運(yùn)行，③變頻報(bào)警，④變頻器異常（變頻器給電控安全回路信號(hào)），⑤電流4-20mA輸出，⑥頻率4-20mA輸出。

5.3變頻啟停操作

啟動(dòng)過(guò)程：

（1）電控根據(jù)變頻的就緒信號(hào)確定是否啟動(dòng)（此前絞車的液壓系統(tǒng)應(yīng)完全準(zhǔn)備就緒）；

（2）各種絞車開(kāi)車條件具備后，電控操作主令開(kāi)關(guān)給變頻正向使能或者反向使能信號(hào)，此時(shí)變頻開(kāi)始有輸出，輸出信號(hào)為直流信號(hào)，讓絞車處于直流制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)定子電流達(dá)到設(shè)定的制動(dòng)電流；

（3）在制動(dòng)電流的作用下，大約1秒左右后，電控系統(tǒng)通過(guò)控制液壓系統(tǒng)將控制滾筒的液壓閘打開(kāi)，同時(shí)給變頻工作閘打開(kāi)信號(hào)，此時(shí)變頻開(kāi)始升頻率，電機(jī)開(kāi)始進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；

（4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)速度要求，電控控制主令開(kāi)關(guān)給變頻器的速度信號(hào)來(lái)改變電機(jī)的速度和系統(tǒng)的提升速度。

停機(jī)過(guò)程：

（1）根據(jù)速度或停車要求，通過(guò)主令開(kāi)關(guān)位置（或自動(dòng)程序）調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率，使變頻器運(yùn)行頻率逐漸下降，可以讓主令開(kāi)關(guān)歸零或者低速給定運(yùn)行；

（2）主令開(kāi)關(guān)歸零位后，變頻器方向使能信號(hào)消失，變頻器開(kāi)始進(jìn)行降頻運(yùn)行，然后進(jìn)入電機(jī)制動(dòng)狀態(tài)，電控通過(guò)控制液壓系統(tǒng)將控制滾筒液壓閘進(jìn)行抱閘，同時(shí)給變頻工作閘抱閘信號(hào)，變頻器停止運(yùn)行。

6現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及效果

改造工程利用煤礦生產(chǎn)間歇進(jìn)行，風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器至今已正常運(yùn)行4年。提升絞車變頻改造后，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的真正軟啟動(dòng)，縮短了提升時(shí)間，減少維護(hù)工作量，提高了生產(chǎn)效率。大大提高了提升機(jī)的安全運(yùn)行。高壓提升機(jī)變頻器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行如圖6所示。

圖6風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖

變頻改造后，提升機(jī)絞車運(yùn)行中主要有如下好處：

（1）實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)、軟停車，減少了機(jī)械沖擊，使運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠。

（2）實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，可在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)任意調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)轉(zhuǎn)差沖擊。

（3）提升機(jī)加減速過(guò)程的平穩(wěn)控制，運(yùn)行過(guò)程纜繩擺幅明顯減小，人員升降舒適性明顯提高。

（4）基本無(wú)維護(hù)工作量，操作簡(jiǎn)單，減低了維護(hù)人員和操作人員的工作強(qiáng)度。

（5）系統(tǒng)具有更完善的軟硬件保護(hù)環(huán)節(jié)。

7結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器不僅適用于新礦井控制，也適用于老礦井電控系統(tǒng)改造。提升機(jī)經(jīng)過(guò)變頻改造，不僅提高了提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，而且大大減低了維護(hù)費(fèi)用，運(yùn)行效率高，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動(dòng)，是交流提升機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展的方向，應(yīng)用前景廣闊。