摘要：变频改造是矿井提升领域提高工艺水平和安全技改的主要手段。本文对高压变频调速系统的原理、结构进行分析，结合龙田煤业变频改造的现场，介绍HARSVERT-FVA系列能量回馈型高压变频器在双机拖动矿井提升系统上的应用情况。
关键词：双机拖动、矿井提升机、高压变频器、矢量控制、能量回馈
关键词：双机拖动、矿井提升机、高压变频器、矢量控制、能量回馈
一、 引言
在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平。因此，要求矿井提升机拖动系统具有安全可靠，运行高效且定位准确的能力。
传统的矿井提升中，80%左右是用交流绕线式电机转子串电阻调速的方式，此调速方式技术相对落后，无效功耗过大，结构复杂，且运行效果不理想。为了获得较高性能的提升系统部分采用直流传动方案，但直流电机结构复杂，在功率范围受到一定的限制的同时，运行过程中又给用户带来了高昂的维护费用。随着电力电子与电机控制技术的发展，采用变频调速的方法具备了大转矩、高精度、宽调速、低维护的特点，从根本上解决了其他调速方式的弊端，是目前矿井提升机电气传动的首选方案。
二、用户简介
辉县市龙田煤业有限公司成立于2006年4月，是由深圳市潜龙实业集团有限公司控股的现代化股份制企业，拥有一座年产95万吨的矿井——程村矿井，主产三号优质无烟煤，服务年限49年，矿井于2008年投产，税收在新乡市排名前10位 。如图1所示
图1、龙田煤业一角
三、改造背景及方案确定
煤矿主、副井提升机系统在建井时部分设计为两台相同或不同容量的电动机一台工作、一台备用的拖动方式，即单机拖动方式。随着矿井生产能力的提高，往往会出现单台电动机工作无法满足生产需要的情况。如重新购置容量较大的电动机就要将原有电动机淘汰，造成浪费。这时，可考虑在不更换设备的情况下，将单机拖动改为双机同时拖动。
龙田煤业主井提升为一台JKM-2.8/4（II）型多绳摩擦式提升机，装备一对6T多绳箕斗，单电机最大输入功率为800KW，已经达到最大单电机设计标准。根据设计院设计标准，矿井最大提升能力为72万吨/年（一钩6T、25钩/时、16小时/天、300天）。由于现在提升任务重，主井提升已严重制约了矿井的生产任务。为了改善这种情况提高生产能力，准备对主井进行改造，将6T箕斗更换为8T箕斗，单电机拖动改为双电机拖动，电控系统改造为交-直-交高压变频调速提升机系统，改造后生产能力提高到95万吨/年（一钩8T、25钩/时、16小时/天、300天），提升机达到最大的提升能力，电控改造后使提升系统运行更加平稳，便于实现全自动化运行，有效地提高了系统的安全性，降低了司机的劳动强度，同时高压变频调速系统相比串电阻调速系统具有明显的节能效果。
初步方案设计为采用两套高压变频调速装置分别对两台电机进行供电，其中两高压变频装置采用矢量控制、主从同步，保证两电机的同步拖动，实现两台电机输出同样转矩，转矩、功率分配均匀，达到整个调速范围内平滑无脉动，低速运行平稳的水平。如其中一路电机或变频器出现故障时，通过外部切换，可实现单电机全速半载正常运行。
四、现场基本工况
基本参数：井塔型多绳摩擦式提升机，提升高度：522m，井塔高度： 43.95m钢丝绳根数：4根；
提升机参数：型号：JKM-2.8/4（II），导向轮直径：2.5m，主导轮直径：2.8m；
减速机参数：型号：ZHD2R-140，减速比：10.5；
电机参数：#1电机 YR800-10，800kW，593rpm，6000V，98A，上海电气集团上海电机厂有限公司；#2电机 YR560-10，800kW，592rpm，6000V，103A，佳木斯电机股份有限公司；
变频器参数：型号：HARSVERT-FVA06/120，额定电压6kV，额定电流120A，额定功率1000kW。现场情况如图2、图3所示。
图2 现场电机与减速机
图3现场主导轮（摩擦轮）
五、变频器系统原理及结构介绍
下面根据柜子从左至右的摆放顺序，逐一介绍变频器各组成部分的结构及作用。
通过前部IGBT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， 通过对后部的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，后部IGBT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，启动前部IGBT，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，产品具备100%定额功率的能量回馈能力。
控制系统位于控制柜中，由主控制器（DSP）、人机界面（嵌入式工控机）、PLC三大部分构成，三大部分各有分工，又互相通讯、协同工作。人机界面和主控制器及PLC之间均采用RS485进行数据通讯，通讯协议为Modbus协议。主控制器和PLC之间采用I/O点及模拟信号线建立简单通讯。
六、改造过程及方案调整
七、改造后的效果
八、总结
该高压变频器调速系统已经稳定运行1年。北京利德华福变频器首次在双机拖动的提升机上运行，取得圆满成功，证明了利德华福在高压传动领域上的雄厚技术实力。HARSVERT-FVA系列能量回馈型高压变频器在龙田煤业的成功应用，大大提高了主井提升系统的安全性和可靠性，确保了主井提升机的高质量运行，为用户创造了巨大的经济效益和社会效益。实践证明，利用技术先进、成熟安全的高压变频调速系统可以全面改善现场工况，提高系统自动化程度，节约电能。使用高压变频器可以大大降低现场维护量，带来可观的效益，切实响应国家节能降耗的号召，值得大力推广。
图2 现场电机与减速机
图3现场主导轮（摩擦轮）
五、变频器系统原理及结构介绍
此次变频改造选用2台型号为HARSVERT-FVA06/120的高压变频器。HARSVERT-FVA系列高压变频器是北京利德华福电气技术有限公司生产的新一代能量回馈型矢量控制高压变频调速系统，该系统采用无网侧电抗器的四象限单元串联多电平结构，通过矢量控制算法对电机进行精确的控制。
由于受IGBT耐压限制，6kV高压变频调速系统的结构采用功率单元串联模式，6kV系列有15个功率单元，每5个功率单元串联构成一相，如图4所示。我公司高压变频系统采用矢量控制，高压变频系统是速度和电流双闭环控制系统，调压精度高，动态响应快。
由于受IGBT耐压限制，6kV高压变频调速系统的结构采用功率单元串联模式，6kV系列有15个功率单元，每5个功率单元串联构成一相，如图4所示。我公司高压变频系统采用矢量控制，高压变频系统是速度和电流双闭环控制系统，调压精度高，动态响应快。
HARSVERT-FVA系列能量回馈型矢量控制高压变频器由激磁涌流抑制柜、变压器柜、功率柜和控制柜组成，各柜体结构如图5所示
图5、高压变频系统的构成
下面根据柜子从左至右的摆放顺序，逐一介绍变频器各组成部分的结构及作用。
变频器上电时冲击电流可达到电机额定电流的6-10倍，系统配置的激磁涌流抑制柜内设有真空接触器和限流电阻，可以有效限制变频器高压上电时的充电电流和激磁涌流，保证变频器高压上电电流限制在1倍额定电流之内，真正实现对电网的零冲击。具体功用：
（1）消除上电时对IGBT的冲击，加强可靠性， 大大增加设备使用寿命；
（2）消除上电时对电网的冲击，避免电网电压瞬间跌落，干扰其他设备的正常运行。
变压器柜内装有整流变压器，该变压器采用免维护型干式变，绝缘等级为H级，最高耐受温度180℃。变压器将网侧高压变换为副边的多组低压，为功率柜中的功率单元供电，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，其工作电压由各个低压绕组的输出电压来决定，工作在相对的低压状态，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。各功率单元间的相对电压，由变压器副边绕组的绝缘承担，避免了串联均压问题。变压器设有温控设备，能够实时监控其内部温度，在温度较高时发出报警信号，在温度过高时发出跳闸信号。此变压器与通用型高压变频器的变压器比较，有两点不同，1、因为每个模块都要向电网回馈能量，所以变压器每个绕组的阻抗要求比较均匀，造价比较高；2、此变压器二次绕组无需移相。
功率柜中装有功率单元，每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其主电路结构为图6。功率单元利用IGBT进行同步整流，同步整流控制器实时检测单元电网输入电压，利用锁相控制技术得到电网输入电压相位，控制整流逆变开管关所构成的相位与电网电压的相位差，便可控制电功率在电网与功率单元之间的流向。逆变相位超前，功率单元将电能回馈给电网，反之电功率由电网注入功率单元。
图6 功率单元内部基本电路结构
通过前部IGBT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， 通过对后部的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，后部IGBT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，启动前部IGBT，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，产品具备100%定额功率的能量回馈能力。
变频器的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7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较长，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。
图7：高压变频器输出线电压波形
控制系统位于控制柜中，由主控制器（DSP）、人机界面（嵌入式工控机）、PLC三大部分构成，三大部分各有分工，又互相通讯、协同工作。人机界面和主控制器及PLC之间均采用RS485进行数据通讯，通讯协议为Modbus协议。主控制器和PLC之间采用I/O点及模拟信号线建立简单通讯。
高性能交流传动系统均需要转速闭环控制，因此利德华福研发了高性能矢量控制技术，可保证很高的精度和很准确的动态转速。整个系统采用高性能DSP微处理器，可以自动检测到电机的参数，建立电机的数学模型，通过检测电机的电压和电流，对电机的磁通和转矩进行实时的解耦控制，能够对电机转矩进行主动的限制，避免负荷波动导致的过电流故障。
矢量控制产品的性能指标为：调速范围100:1，稳态转速精度0.5%，动态转矩响应时间小于200ms，启动转矩200%额定转矩，基本达到国际先进水平。采用DSP高性能矢量控制的高压变频调速系统可实现电机参数自动整定、系统状态变量的实时显示和监控等功能。
六、改造过程及方案调整
变频器安装完成后，首先进行了主回路线路改造，然后将变频器控制系统及单机高压调试正常，同步进行操作台的固定安装，连接操作台与变频器之间的连线，调试操作台与变频器的信号传递，正常后把变频器和操作台接入到原系统中统调，带重载调试是改造中的重点部分。
空载调试时，两台设备使用带编码器的矢量控制、主从同步，发现同步效果不理想，运行中减速机存在撞击声，不如VVVF控制方式稳定。随即果断尝试采用VVVF控制方式、自然同步，发现只在启动时两电机速度稍有不同，加速过程中输出电流有部分差距，到高速段两电机输出电流相当，整个过程机械运转效果良好。考虑到两台电机厂家不同，电流及转速参数也有差距，观察单台运行时的发现两电机的电流变化规律也不同，认为空载满足转矩、功率分配平均原则。
带载运行后，对于从6.5-10吨不等的负载进行测试，发现负载越重两电机平衡性越好，与用户讨论后，决定不采用矢量控制、主从同步方式，运行VVVF控制、自然同步方式，该控制方式使两电机转矩、功率分配均匀，完全满足工况要求。
七、改造后的效果
改造后，变频器成功应用于提升机生产，解决了原串电阻调速系统的各种弊端，优势如下：
（1）省去了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果；
（2）克服了接触器、电阻器绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生率，提高了系统的可靠性；
（3）启动柔和，转矩大，实现了无级平滑调速，加减速快速平稳。启动和加减速阶段基本不存在机械冲击，极大的延长了设备的使用寿命；
（4）自动化程度高，操作简单，主令手柄和制动手柄在提升机运行中基本不动，降低司机劳动强度和操作难度，运行平稳无震动，噪音低；
（6）基本无维护工作量，减低了维护人员的工作强度；
（7）系统具有更完善的软硬件保护环节。
八、总结
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