摘 要：本文介紹了國產(chǎn)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對礦山提升機改造的情況，對原礦山提升機系統(tǒng)及變頻電控系統(tǒng)作簡要介紹，并對高壓提升變頻調(diào)速系統(tǒng)作了論述，運行效果表明改造是成功的。 關(guān)鍵詞：國產(chǎn)高壓變頻提升調(diào)速系統(tǒng) 礦山提升機 能量回饋 Abstract: The paper introduces the reconstruction that domestic high voltage variable frequency control velocity system for mining hoist.It is discussed that the system of mining hoist and variahle frequency system of controlling ,also analyzes the system of high voltage lifter inverter. The running effect indicate that the alternation is successful. Key word : the system of domestic high voltage lifter inverter mining hoist energy feedback 1.引言 目前，我國的礦井提升機，有相當一部分是功 100KW～500KW的電動機驅(qū)動的。由于歷史的原因，此部分提升機一直是沿用高壓電動機驅(qū)動提升機的電控方式——用交流繞線轉(zhuǎn)子電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的方式。此種調(diào)速方式技術(shù)落后，且運行效果很不理想。而大于500kw且希望獲得比較高性能的提升機則大部分采用直流傳動的方案，直流電動機由于其結(jié)構(gòu)的復雜，帶來的則是運行過程中高昂的維護費用。 交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)，目前已經(jīng)非常成熟，且電氣控制性能與直流傳動方案相當，并有超過直流傳動方案的趨勢，是在工業(yè)控制領(lǐng)域大量采用的技術(shù)?？煽啃灾笜艘堰_到非常高的程度。因此，用交流變頻器直接驅(qū)動鼠籠電動機，應作為礦井提升機電氣傳動的首選方案。采用了具有能量回饋特性的矢量控制型四象限變頻器，直接驅(qū)動鼠籠電動機形成電控系統(tǒng)。具有類似或優(yōu)于直流電動機的優(yōu)良機械特性，具有接近于1的功率因數(shù)和大于95％的能量轉(zhuǎn)換效率，節(jié)能效果非常顯著。不僅使提升工藝過程性能優(yōu)良，而且使用維護簡單，整機效率也大大提高，應該是提升機電控系統(tǒng)發(fā)展的方向。 2.原礦山提升機調(diào)速系統(tǒng)及 變頻電控系統(tǒng) 簡介 河北邯鄲峰峰礦業(yè)集團公司是國家大型企業(yè)，全國煤炭百強企業(yè)。集團公司新三礦原有一礦井提升機，該提升機絞車采用線繞式異步電動機，用轉(zhuǎn)子串電阻的方法調(diào)速。這種系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，低速轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)差功率大，啟動電流和換檔電流沖擊大，中高速運行振動大，制動不安全不可靠，對再生能量處理不力，低速運行到終點時易出現(xiàn) “過卷”現(xiàn)象，故障率高，運行效率低等缺點，礦用生產(chǎn)是 24 小時連續(xù)作業(yè)，即使短時間的停機維修也會給生產(chǎn)帶來很大損失。集團公司領(lǐng)導下決心對該提升機電控系統(tǒng)進行改造。我們焦作華飛公司是中國最大的礦用提升機電控生產(chǎn)基地。基于此，選用了我公司生產(chǎn) KTDK-PC 型礦井 提升機變頻電控系統(tǒng)， 是一套性能在國內(nèi)居領(lǐng)先水平的礦山提升機的電控系統(tǒng)。該電控系統(tǒng)具有以下特點： 1 . 調(diào)速柜采用矢量控制變頻器，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動。具有能量回饋電網(wǎng)功能，節(jié)能效果顯著。 2 . 極短的投運時間 ——變頻電控不超過 3天。（不包括前期每天兩小時共7至10天的準備時間） 3 . 遠程工況監(jiān)測和故障診斷 ——計算機遠程通訊，采用日本三菱公司軟硬件設備 ,通過電話線使授權(quán)的任意一臺計算機能監(jiān)視提升機控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)． 4 . 無線感應動態(tài)稱重 ——采用了壓力測量和 FSK調(diào)制無線感應動態(tài)稱重技術(shù)，使得裝載自動化過程得以準確可靠的完成。 5 . 主控臺內(nèi)含信號系統(tǒng) 6 . 15點關(guān)鍵位溫度巡檢 7 . 提升機綜合保護控制儀 ——采用我公司成熟的新型提升機電控技術(shù)研制開發(fā)的，作為礦井提升機老式電控系統(tǒng)的綜合保護。 8 . 多水平提升機信號系統(tǒng) ——各部分之間的信號傳送采用雙線式 485口通訊模式，具有雙工擴音電話通訊功能?？蓪崿F(xiàn)井口到井下，井口到車房的雙工通訊功能。 原礦山提升機絞車電機有關(guān)參數(shù)： 型號 JR158-8 功率 380KW 電流 47A 電壓 6000V 轉(zhuǎn)速 735r/min 3.提升機對變頻器特殊的要求 由于提升類負載對變頻器有著不少特殊的要求，所以一般普通變頻器不可能直接用到提升機上。提升機對變頻器要求有以下主要特點： （ 1）要求可靠性高 （ 2）要求能實現(xiàn)四象限運行，解決能量回饋 （ 3）要求有完善的數(shù)字控制功能 （ 4）技術(shù)指標要求高（例如啟動轉(zhuǎn)矩2倍以上，150%額定電流以下連續(xù)運行，200%額定電流一分鐘保護） （ 5）要求適應惡劣的使用環(huán)境 （ 6）要求標準的數(shù)字通信接口 （ 7）運行速度曲線成S形，加減速平滑 4 . 新風光電子公司 JD-BP37 型高壓提升變頻調(diào)速器 山東新風光電子科技發(fā)展有限公司是國內(nèi)最早研制變頻器的公司之一，變頻器國家標準審定單位之一，技術(shù)力量雄厚，變頻器在提升機方面獲得了國家專利，應用戶的要求，配備了該公司生產(chǎn)的 JD-BP37-400T（400KW）高 壓提升變頻調(diào)速器。以下是對 JD-BP37 型高壓提升變頻調(diào)速器的一些介紹。 4.1 JD-BP37 型高壓提升變頻調(diào)速器簡介 JD-BP37 型高壓提升變頻調(diào)速器采用最新型 IGBT 為主控器件，全數(shù)字化，彩色液晶觸摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能為設計目標的優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速器，采用先進的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)完成提升機的四象限運行，用于鼠籠式電機或繞線式轉(zhuǎn)子串電阻電機控制，即可用于新礦井安裝，也可用于老礦井改造。 風光高壓提升變頻器，采用若干個低壓逆變器功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，所用的 6kv 高壓提升變頻器，變壓器有 18 組付邊繞組 ， 分為 6 個功率單元 ∕ 相 ，三相共 18個單元， 采用 36 脈沖整流，輸入端的諧波成分滿足國標規(guī)定 ，高壓提升變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 [ALIGN=CENTER] 圖 1 高壓提升變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/ALIGN] JD-BP37 型高壓提升變頻調(diào)速系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成 4 . 2 功率單元電路 每 個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其主電路結(jié)構(gòu)如圖 2 示，為基本的交 - 直 - 交雙向逆變電路，通過整流橋進行三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓，通過對逆變塊 B 中的 IGBT 逆變橋進行正弦 PWM 控制實現(xiàn)單相逆變。當電機進入發(fā)電狀態(tài)后，逆變塊 B 中的二極管完成續(xù)流外，又起全波整流，使能量能夠轉(zhuǎn)移到濾波電容中，結(jié)果母線電壓升高，達到一定程度后，啟動逆變塊 A ，進行 SPWM 逆變，通過輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過變壓器將能量回饋到電網(wǎng)。 [ALIGN=CENTER] 圖 2功率單元電路結(jié)構(gòu)[/ALIGN] 4. 3控制器 控制器核心由高速 DSP 和工控 PC 機協(xié)同運算來實現(xiàn)，精心設計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。工控 PC 提供友好的全中文 WINDOWS 監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡化控制?？刂破饔糜诠耋w內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強了系統(tǒng)的靈活性。 5. JD-BP37 型高壓提升變頻調(diào)速器主要技術(shù)性能 5.1 高——高電壓源型變頻器，直接 6KV 輸入，直接 6KV 輸出， 無須任何輸出變壓器或濾波器，適配于普通高壓電動機，對電機、電纜絕緣無損害。 5.2 輸入功率因數(shù)高，電流諧波小，無須功率因數(shù)補償、諧波抑制裝置。 5.3 單元電路模塊化設計，維護簡單，互換性好。 5.4 輸出階梯正弦 PWM 波形。 5.5 可提供 2 倍以上的啟動轉(zhuǎn)矩。 5.6 可提供直流制動 、回饋制動等多種制動方式。 5. 7可滿足電動機的四象限工作要求。 5.8 高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強弱電隔離，安全可靠。 5.9 完善的故障檢測，精確的故障保護及準確的定位顯示和報警。 5.10 內(nèi)置 PLC ，易于改變控制邏輯關(guān)系，可靈活選擇現(xiàn)場控制 / 遠程控制，適應現(xiàn)場多變需求。 5.11 采用載波移相控制技術(shù)，大大抑制了輸出電壓的諧波成分，保證輸出波形是完美正弦波。 5.12 控制電源與高壓電相互獨立，無高壓可以檢測變頻器輸出，便于現(xiàn)場調(diào)試以及培訓操作人員，便于維護。 5.13 采用準優(yōu)化 SPWM 調(diào)制技術(shù)，電壓利用率高。 5.14 功率單元經(jīng) 24 小時高溫老化、 150 ％負載試驗，可靠性高。 5.15 中文 Windows 操作界面，彩色液晶觸摸屏操作。用戶操作監(jiān)控系統(tǒng)界面十分友好和完善，系統(tǒng)包括上位機（商用 PC 機）、下位機（工控機）、單片機。其中單片機給用戶提供一個 4 位 LED 數(shù)碼顯示屏和一個 12 鍵的小鍵盤操作平臺，可對變頻器進行全部操作，包括參數(shù)設置和各種運行指令。工控機用觸摸屏和通用鍵盤給用戶提供操作平臺，其功能更齊全，包括參數(shù)設定、功能設定、運行操作、運行數(shù)據(jù)打印、故障查詢等等。上位機（商用 PC 機）放在總控室，可對多臺變頻器進行遙測、遙控。若只有一臺變頻器，上位機可省，或讓客戶自定。 5.16 可接收和輸出多路工業(yè)標準信號。 5.17 可打印輸出運行報表 。 6 . 基本控制要求 6 . 1 直流制動 本提升機用變頻器，直流制動對提升系統(tǒng)的安全運行起到重要作用，當重車在中間停車時， PLC 檢測到停機信號后給控制器發(fā)出一信號，讓提升機由高速平滑地降到低速，然后由控制器發(fā)出直流制動信號，使提升機停止，待 PLC 檢測到機械制動起作用的信號后， PLC 發(fā)出信號讓控制器去掉直流制動信號，使提升機靠機械抱閘一類的裝置起作用。啟動時，先對提升機施加一直流制動信號， PLC 檢測到機械抱閘信號后發(fā)出信號給控制器去掉直流制動信號，然后由控制器加上啟動電壓讓提升機開始轉(zhuǎn)動。 6 . 2 運行速度的控制 為了減少運行過程中的機械沖擊，在提升機啟動和停止過程中，做到加速度連續(xù)，因不同的頻率，對應不同的加減速速率，在本裝置的控制中，將不同頻率時的加減速速率規(guī)劃成一個表格，運行中用查表的方法確定對應頻率時的加減速速率，使提升機平滑運行，減少機械沖擊。 6 . 3 自動限速保護 在運行到終點時，由限速開關(guān)給出減速信號， PLC 檢測到減速信號后發(fā)送給控制器，由控制器啟動自動減速程序，使工作頻率按設定要求逐步變?yōu)榈退龠\行。提升機帶有測速發(fā)電機，當測速發(fā)電機給出超速信號， PLC 檢測該信號發(fā)送給控制器，進入自動減速運行。 6 . 4 再生能量處理 再生能量通過功率單元來處理，見圖 3 示： [ALIGN=CENTER] 圖 3 單元控制框圖[/ALIGN] 電機處于發(fā)電狀態(tài)，功率單元母線電壓 Vbus 升高，當母線電壓超過電網(wǎng)電壓的 1.1 倍時， CPU 根據(jù)比較器和相位檢測的結(jié)果輸出六路 SPWM 波形，使逆變塊 A 中的 IGBT 工作，通過輸入電感，電動機的再生能量最后通過移相變壓器回饋到電網(wǎng)。 7.變頻調(diào)速系統(tǒng)對原調(diào)速系統(tǒng)的改造 為了確保安全可靠，讓變頻調(diào)速系統(tǒng)與原調(diào)速系統(tǒng)并存，互為備用，隨時可以切換。同時為了讓操作者不改變操作習慣，工、變頻系統(tǒng)都用原操作機構(gòu)操作，如圖4所示： [ALIGN=CENTER] 圖4工、變頻系統(tǒng)切換控制[/ALIGN] 8 . 現(xiàn)場應用情況及運行效果 設備改造工程于 2005 年 4 月調(diào)試成功 。 使用變頻器后有以下優(yōu)點： 8 . 1 變頻系統(tǒng)無需原電控調(diào)速用的交流接觸器及調(diào)速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境，使噪音及室溫降低。 8 . 2 調(diào)速連續(xù)方便，連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。 8 . 3 實現(xiàn)了低頻低壓的軟起動和軟停止，使運行更加平穩(wěn)，機械沖擊小，避免了掉道現(xiàn)象 。 8 . 4 啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大電流不超過 1.3 倍的額定電流，提升機在重載下從低速平穩(wěn)無級平滑的升至最高速，沒有大電流出現(xiàn)，減小了對電網(wǎng)的沖擊。 8 . 5 增加了直流制動功能，使重車停車時更加平穩(wěn)，有效避免了 “ 溜溝 ” 現(xiàn)象。 8 . 6 采用回饋制動技術(shù)，成功解決了位能負載在快速減速或急停時的再生發(fā)電能量處理問題，保證了變頻器的安全運行。 8 . 7 節(jié)能效果顯著。據(jù)實測，在低速段節(jié)能明顯，一般可達到 37% 以上。 8 . 8 采用變頻控制后，原繞線式電機可改為普通電機，這不但降低了成本，普通電機比繞線式電機可節(jié)約投資 1/3 ，而且電機維護方面，避免了轉(zhuǎn)子炭刷的燒損及維護。 9 . 結(jié)束語 礦山提升機變頻調(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傳動的發(fā)展方向。 參考文獻 ［1］ 華飛公司 礦井 提升機變頻電控系統(tǒng) 用戶手冊 . 河南焦作華飛公司 . ［2］山東新風光電子 高壓提升 變頻器 用戶手冊 . 山東新風光電子科技發(fā)展有限公司.