浅谈高压提升机变频器在煤矿副井上的应用

1引言

山西兰花煤炭实业集团有限公司唐安煤矿，是兰花公司属下一个前景广阔的现代化矿井。该分公司前身唐安煤矿，始建于建国初期，组建兰花集团前，属高平市市营煤矿。现占地面积55万平方米，井田面积29.95平方公里，属沁水煤田腹地，地质储量3.39亿吨，工业储量2.23亿吨，可采储量1.37亿吨。年生产能力150万吨。

矿井提升机是煤矿的关键设备，它肩负着井上井下的物体运输的重任。是一种大型提升机械设备。由电机带动机械设备，以带动钢丝绳从而带动容器在井筒中升降，完成输送任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。现代的矿井提升机提升量大，速度高，安全性高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。矿井提升有主井提升和副井提升之分，主引提升的作用是沿井筒提升有益矿物（如煤炭等），矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒（或摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动。按提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。副井提升的主要作用是沿井筒提升矸石、下放材料、升降人员或设备等。矿井提升机在整个煤矿生产中占有重要的地位。

矿并提升机作为矿山最大的电气设备之一，其耗电量占矿山总耗电量的30%—40%，并且运行特性复杂，速度快，惯性大，一旦提升机失去控制，不能按照给定速度运行，就可能发且超速、过卷等重大安全事故，造成设备损坏甚至人员伤亡，给矿山带来重大人事和财产损失。

原副井提升机系统采用交流电动机转子回路串电阻调速，由于该系统调速精度低，可靠性差，维护费用大，兰花集团唐安煤矿领导通过考察国内用户现场使用提升机变频器的情形后，决定选用新风光JD-BP37-280T型（280KW/6KV）高压提升机变频器，对副井提升机系统进行系统改造。交流电动机，是将电能转变为机械能的一种机器。交流电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。交流电动机由定子和转子组成，并且定子和转子是采用同一电源，所以定子和转子中电流的方向变化总是同步的，即线圈中的电流方向变了，同时电磁铁中的电流方向也变，根据左手定则，线圈所受磁力方向不变，线圈能继续转下去。交流发动机就是利用这个原理而工作的。

2原矿井提升机系统概述

2.1系统参数

2.1.1矿用提升机



2.1.2减速器



2.1.3三相异步电动机



2.2交流电动机转子回路串电阻调速系统

在加速过程中，交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4逐级吸合，转子回路电阻依次减小，以保证加速力矩的平均值不变。如果要求电动机低速运行，则需在转子回路串较大电阻。为了解决减速段的负力要求，通常采用动力制动方案，即将定子侧的高压电源切除，施加直流电压，或在定子绕组上施加低频电源，让电动机工作在发电伏态。交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于触头系统是与动铁芯联动的，因此动铁芯带动三条动触片同时运行，触点闭合，从而接通电源。当线圈断电时，吸力消失，动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离，使主触头断开，切断电源。

这种拖动方案存在的问题是：

（1）开环有级调速，加速度难以准确控制，调速精度差；

（2）触点控制，大量使用大容量开关，系统维护工作量大，可靠性差；

（3）运行效率低，在低速时大部分功率都消耗在电阻上；

（4）电机的机械特性偏软，一般电阻上消耗的功率约为电动机输出功率的20%—30%；

（5）接触器经常吸合与断开，噪音比较大。虽然这种调速方案控制方式简单、初期设备投资较低，但技术性能和运行效率低，许多中小矿井的提升机仍采用该种调速方案。


图1 转子回路串电阻调速系统

3高压提升机变频器系统原理

3.1系统结构

JD-BP37系列高压变频调速系统的结构由移相变压器、功率单元和控制器组成。6KV系列有18个功率单元，每6个功率单元串联构成一相。

3.2功率单元电路


图2 功率单元电路

每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其主电路结构有图2所示，为基本的交-直-交双向逆变电路。图中通过整流桥进行三相全桥方式整流，整流后的给滤波电容充电，确定母线电压，通过对逆变块B中的IGBT逆变桥进行正弦PWM控制实现单相逆变。当电机进入发电状态后，逆变块B中的二极管完成续流外，又起全波整流，使能量能够转移到滤波电容中，结果母线电压升高，达到一定程度后，启动逆变块A，进行SPWM逆变，通过输入电感，返回到移相变压器的次极，通过变压器将能量回馈到电网。SPWM（Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

3.3输入侧结构

本机中移相变压器的副边绕组分为三组，构成36脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1，输入电流谐波成分低。实测在90%-105%额定输入电压额定电流下，输入电流总相对谐波含量小于4%.

另外，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。

3.4输出侧结构

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，可得到如图3所示的阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。


图3 变频器输出的线电压阶梯PWM波形

3.5控制器

控制器是按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。控制器是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR（InstructionRegister）、程序计数器PC（ProgramCounter）和操作控制器0C（OperationController）三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。

控制器核心由高速32位数字信号处理器（DSP）运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。人机界面提供友好的全中文WINDOWS监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。内置PLC控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊需要，增强了系统的灵活性。

数字信号处理器（DSP）相对于模拟信号处理有很大的优越性，表现在精度高、灵活性大、可靠性好、易于集成、易于存储等方面。传数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。高性能DSP不仅处理速度快，而且可以无间断的完成数据的实时输入与输出。DSP结构相对单一，普遍采用汇编编程，其处理完成时间的可预测性要比结构和指令复杂、依赖于编译系统的普通微处理器强的多。