北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 供稿
摘要：本文介紹了HARSVERT-FVA低壓濾波型高壓變頻器在煤礦提升機(jī)中的技術(shù)應(yīng)用。在石炭井焦煤公司的成功應(yīng)用，證明變頻調(diào)速裝置的可靠運(yùn)行不但能夠節(jié)能降耗，而且可以有效提高煤礦系統(tǒng)的安全可靠性，證實(shí)變頻改造是煤礦安全生產(chǎn)的重要手段。
關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)、低壓濾波、高壓變頻器、帶編碼器矢量控制、能量回饋
一、引言
在煤礦生產(chǎn)中，礦井提升機(jī)起著非常重要的作用，它是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。傳統(tǒng)的礦井提升中，80%左右是用交流繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的方式，存在著調(diào)速性能差，調(diào)速時(shí)能量要大量消耗在電阻上，給定方式落后，控制精度低，安全保護(hù)和監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)不完善，安全可靠性差，維護(hù)工作量大等諸多問(wèn)題，改為電控臺(tái)和高壓變頻器相結(jié)合的控制方案，大大提高了整個(gè)電控系統(tǒng)安全可靠性、控制精度及調(diào)速性能，為用戶提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，又響應(yīng)了國(guó)家的號(hào)召，實(shí)現(xiàn)了雙重節(jié)能減耗的效果。
二、用戶簡(jiǎn)介
石炭井礦區(qū)是寧夏煤炭工業(yè)的發(fā)源地之一。作為主焦煤生產(chǎn)礦井，石炭井礦在神寧集團(tuán)煤炭經(jīng)濟(jì)板塊中占據(jù)著非常重要的位置。石炭井二礦始建于1958年，1961年12月20日建礦生產(chǎn)，是原石炭井礦務(wù)局最早開(kāi)發(fā)投產(chǎn)的礦井。建礦以來(lái)，經(jīng)歷建井、擴(kuò)建、技術(shù)改造、向高標(biāo)準(zhǔn)化邁進(jìn)等不同階段，礦區(qū)規(guī)模不斷發(fā)展，礦井生產(chǎn)能力不斷增強(qiáng)，固定資產(chǎn)規(guī)模逐步增大，1997年核定能力為110萬(wàn)噸/年。石炭井焦煤公司是2008年神寧集團(tuán)將原石炭井二礦與金賀蘭公司整合組建成立，截至2009年底，該礦焦煤公司完成了礦井主提升及地面洗選系統(tǒng)技術(shù)改造，淘汰了落后的炮采工藝，實(shí)現(xiàn)了一井兩面年產(chǎn)130萬(wàn)噸左右的生產(chǎn)格局。如圖1所示
三、現(xiàn)場(chǎng)基本工況
1、提升機(jī)參數(shù)：?jiǎn)螡L筒纏繞式礦井提升機(jī)，卷筒直徑4000mm，減速比30，最大提升速度3.98m/s；
2、電機(jī)參數(shù)：型號(hào)：YP560-10，功率900kW，定子電壓6000V，電流112A，南陽(yáng)防爆集團(tuán)股份有限公司；
3、變頻器參數(shù)：型號(hào)：HARSVERT-FVA06/120，額定電壓6kV，額定電流120A，額定功率1000kW。現(xiàn)場(chǎng)情況如圖2、圖3所示。
圖2 提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)
圖2 提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)
四、變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能介紹
HARSVERT-FVA系列低壓濾波型高壓變頻器是北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的新一代能量回饋型矢量控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單獨(dú)功率單元濾波形式，改善諧波效果，可適應(yīng)對(duì)諧波要求苛刻的場(chǎng)合。
由于受IGBT耐壓限制，6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用功率單元串聯(lián)模式，6kV系列有15個(gè)功率單元和15個(gè)濾波單元組成，每5個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，如圖4所示。此套高壓變頻系統(tǒng)采用帶編碼器矢量控制方式，是速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)壓精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。
HARSVERT-FVA系列能量回饋型矢量控制高壓變頻器由激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜和控制柜組成，各柜體結(jié)構(gòu)如圖5所示
圖4 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)示意圖
圖5 高壓變頻系統(tǒng)的構(gòu)成
變壓器在受電瞬間，會(huì)產(chǎn)生激磁涌流，該數(shù)值在正常額定電流的6到10倍，因?yàn)榈V上電網(wǎng)容量通常較小，易引起電網(wǎng)急劇負(fù)向波動(dòng)，影響其他設(shè)備正常運(yùn)行，另外輸入側(cè)的IGBT相對(duì)脆弱，減小對(duì)其沖擊可大大加強(qiáng)可靠性，增加設(shè)備的使用壽命。為此，特設(shè)置了激磁涌流抑制柜，其主要組成部分為高壓電阻與真空接觸器。變頻器上高壓前，高壓電阻串入變壓器主回路，通過(guò)電阻的限流作用降低激磁涌流，減小電網(wǎng)的負(fù)向波動(dòng)和保護(hù)IGBT。延時(shí)1-2秒后，切除高壓電阻，變頻器投入正常運(yùn)行。
變壓器柜內(nèi)裝有整流變壓器，該變壓器采用免維護(hù)型干式變，絕緣等級(jí)為H級(jí)，最高耐受溫度180℃。變壓器將網(wǎng)側(cè)高壓變換為副邊的多組低壓，為功率柜中的功率單元及濾波單元供電，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，其工作電壓由各個(gè)低壓繞組的輸出電壓來(lái)決定，工作在相對(duì)的低壓狀態(tài)，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。各功率單元間的相對(duì)電壓，由變壓器副邊繞組的絕緣承擔(dān)，避免了串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}。變壓器設(shè)有溫控設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控其內(nèi)部溫度，在溫度較高時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，在溫度過(guò)高時(shí)發(fā)出跳閘信號(hào)。此變壓器與通用型高壓變頻器的變壓器比較，有兩點(diǎn)不同，1、因?yàn)槊總€(gè)模塊都要向電網(wǎng)回饋能量，所以變壓器每個(gè)繞組的阻抗要求比較均勻，造價(jià)比較高；2、由于四象限變頻器功率單元整流側(cè)與逆變側(cè)均采用IGBT，可使用雙PWM技術(shù)消除網(wǎng)側(cè)諧波，故變壓器二次繞組無(wú)需移相。
功率柜中裝有功率單元和濾波單元，每個(gè)功率單元和濾波單元為一組，如圖6、7所示，每組結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其主電路結(jié)構(gòu)為圖8。增加濾波單元（LCL濾波器）是為了消除PWM整流器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染。功率單元是整個(gè)變頻系統(tǒng)的心臟，能量回饋功率單元采用有源前端（AFE）、直流環(huán)節(jié)（DC-Link）與逆變電路（INV）整合的結(jié)構(gòu)。整流側(cè)用IGBT三相全橋可控整流，中間采用電解電容濾波和儲(chǔ)能，輸出側(cè)為4只IGBT組成的H橋。每個(gè)功率單元內(nèi)部包含完整的能量回饋電路、直流濾波電路、逆變電路和旁路電路。每個(gè)功率單元相當(dāng)于一臺(tái)交-直-交電壓源型單相輸出的低壓變頻器。每個(gè)功率單元內(nèi)裝有獨(dú)立的DSP處理器和電壓、電流采樣電路，能夠在主控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)能量回饋的控制。由于采用可控整流技術(shù)，變頻器的輸入電流具有較高的功率因數(shù)（PF＞0.95）和較低的諧波含量（THD＜4%）。
圖6 前方的功率單元
圖7 后方的濾波單元
圖8 功率單元內(nèi)部基本電路結(jié)構(gòu)
變壓器二次側(cè)交流電源通過(guò)前部IGBT進(jìn)行三相全橋方式整流，整流后經(jīng)直流母線對(duì)濾波電容充電，每個(gè)功率模塊中加裝電流檢測(cè)裝置，檢測(cè)直流母線電壓，根據(jù)直流母線電壓大小確定電容上的電流應(yīng)該給多少，保證直流母線電壓穩(wěn)定。電機(jī)需要能量了，母線電壓會(huì)下降，能量正向流動(dòng)，這是電動(dòng)功率。如果能量反向流動(dòng)，電容上的電壓會(huì)升高，通過(guò)前部IGBT控制，使能量回饋到電網(wǎng)，產(chǎn)品具備100%額定功率的能量回饋能力。
變頻器的輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖9所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)。
圖9 高壓變頻器輸出線電壓波形
控制系統(tǒng)位于控制柜中，由主控制器（DSP）、人機(jī)界面（嵌入式工控機(jī)）、PLC三大部分構(gòu)成，三大部分各有分工，又互相通訊、協(xié)同工作。人機(jī)界面和主控制器及PLC之間均采用RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通訊協(xié)議為Modbus協(xié)議。主控制器和PLC之間采用I/O點(diǎn)建立簡(jiǎn)單通訊。
高性能交流傳動(dòng)系統(tǒng)均需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，利德華福自主研發(fā)的帶編碼器高性能矢量控制技術(shù)，可保證很高的精度和很準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。整個(gè)系統(tǒng)采用高性能DSP微處理器，可以自動(dòng)檢測(cè)到電機(jī)的參數(shù)，建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的電壓和電流，對(duì)電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)的解耦控制，能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行主動(dòng)的限制，避免負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的過(guò)電流故障。
五、投運(yùn)后的效果
變頻器成功應(yīng)用于提升機(jī)生產(chǎn)，解決了原串電阻調(diào)速系統(tǒng)的各種弊端，優(yōu)勢(shì)如下：
（1）克服了接觸器、電阻器繞線電機(jī)電刷等容易損壞的缺點(diǎn)，降低了故障和事故的發(fā)生率，提高了系統(tǒng)的可靠性；
（2）啟動(dòng)柔和，轉(zhuǎn)矩大，實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，電機(jī)振動(dòng)小；
（3）加減速快速平穩(wěn)，,機(jī)械沖擊小，極大的延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命；
（4）自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，主令手柄和制動(dòng)手柄在提升機(jī)運(yùn)行中基本不動(dòng)，降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度和操作難度；
（5）基本無(wú)維護(hù)工作量，減低了維護(hù)人員的工作強(qiáng)度；
（6）系統(tǒng)具有更完善的軟硬件保護(hù)環(huán)節(jié)。
六、總結(jié)
安全生產(chǎn)是煤礦生產(chǎn)永恒的主題。煤礦提升機(jī)對(duì)整個(gè)礦井的安全生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用。神寧集團(tuán)石炭井焦煤公司副井提升機(jī)變頻器的成功投運(yùn)，為用戶創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。實(shí)踐證明，利用技術(shù)先進(jìn)、成熟安全的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以全面改善現(xiàn)場(chǎng)工況，提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度，保證系統(tǒng)安全。同時(shí)使用高壓變頻器可以大大降低現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量，降低司機(jī)及維護(hù)工人的工作強(qiáng)度，值得大力推廣。
參考文獻(xiàn)：
1、倚鵬，北京利德華福電氣技術(shù)有限公司，《高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應(yīng)用》