关键词：煤矿；大型设备；高压变频器

1  引言

随着变频调速技术的不断发展与成熟，变频器已经被广泛应用于煤矿生产各个环节的设备上。近几年来，位于山东省济宁市范围内的一些煤炭企业开展了煤矿主通风机、提升机等大型设备应用高压变频调速技术的研究，针对运行中出现的问题从多个方面提出技术措施并进行实施，有效地保障了高压变频调速技术在煤矿大型设备的安全运行，对于类似情况的矿区具有一定的参考价值。

2  直接串联功率开关器件与其它电路方式比较

鉴于目前的功率器件耐压能力还不能满足高压变频调速的需要，人们创造了多种电路拓扑。其中，交—交变频器、功率单元串联多重化电压源型高压变频器、电流源型高压变频器都是利用变压器协助间接解决功率开关的耐压问题；低压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)直接串联高压变频新技术彻底去掉变压器，真正实现高进高出。此项技术已被位于济宁市兖州区的兖州煤矿机械厂应用到新研制的矿用隔爆型变频器中，为高压变频技术开拓了新的领域。

⑴单元串联多重化电压源型高压变频器

这项技术利用低压单相变频器串联来弥补功率器件IGBT耐压能力的不足。每相由几个低压功率单元串联组成，各功率单元由1个多绕组的移相隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。每个功率单元都由IGBT构成三相输入、单相输出低压的PWM电压型逆变器。其问题如下：功率单元及功率器件数量太多，6kV系统使用150只功率器件（90只二极管、60只IGBT），体积、重量和安装位置大；所需高压电缆及接线太多，系统内阻及故障点也增多；系统中存在变压器，不容易提高效率；同时控制2台电动机时无法共用直流母线整流，只能单台整流逆变控制单台电动机；输出电压波形在额定负载时尚好，低于25Hz时畸变突出；1个单元损坏时单元可以旁路，但是输出电压不平衡中心点电压浮动造成电压、电流不平衡及谐波增大，勉强运行会损坏电动机。

⑵电流源型高压变频器

此技术在线路中串联大电感，再将SCR或GTO、SGCT等开关速度较慢的功率器件直接串联，使用功率器件少、易于控制电流，但是没有解决高压功率器件的串联问题。由于大电感的限流作用，功率器件出现故障虽然不易损坏，但是对电网污染严重、功率因数低。电流源型高压变频器对电网电压及电动机负载的变化敏感。

⑶功率器件直接串联的二电平电压型高压变频器

①自动均压的IGBT串联技术。利用容性母排技术1+N（只）串联及2/3限压动态均压、钳压技术，克服IGBT动态电阻与极电容不同步、驱动不同步引起动态和静态电压不均问题。无论主电路电压多高，分配给每个管子的工作电压都在额定电压内，每个管子承受的du/dt与低压工作时完全相同，单个IGBT不易损坏。由于有冗余，即使损坏也不影响输出波形。

②正弦波技术。高压电动机对变频器的输出电压、电流波形有严格要求。直接串联技术优化PWM波形即SVPWM技术和研制特种滤波器。他们采用波形测试仪测出直接串联高压变频器25Hz和40Hz运行时的输出电压、输出电流波形。当调制比60时（50Hz输出），开关频率3kHz谐波总含量约10%，甚至低于典型的三电平，滤波后总谐波含量降至2%以下。三电平的11、13、17谐波含量高，处理困难，若不加滤波器则只能用供应商的专用电动机；二电平只要波形优化得好，60次以下的谐波大为降低，对60次以上的谐波滤波容易得多。

3  牵引型高压大功率变频调速装置应用

位于济宁市邹城市的山东里能里彦矿业有限公司主井提升机原为绕线转子电动机转子串电阻调速方式，采用改进型H桥串联式高压变频调速方案和在磁场定向控制策略基础上形成的柔性牵引闭环控制策略后，有效解决困扰多年的主井提升机调速效率低、能耗大、调速质量差、故障率高等问题。

⑴高压变频主回路结构

HIVERT高压变频器是利德华福的高压变频器，可以四象限运行。它采用交—直—交直接高压（高—高）方式，主电路开关元件为IGBT。HIVERT高压变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用低压变频器的成熟技术，可靠性高。变频器输出是将多个三相输入、单相输出低压功率单元的输出串联叠波得到，额定输出580VAC，功率单元6个串联时产生3480V相电压，三相输出Y接，中性点悬浮，得到可变频三相高压电源。干式结构的隔离主变压器原边为Y型接法，直接与高压相连。副边绕组数量依变频器电压等级及结构而定，6kV系列为15（18）个、10kV系列为27个；延边三角形绕组间的相位差为移相角度=60°/每相单元数量；为每个功率单元提供三相电源输入。此相位差消除大部分由单个功率单元引起的谐波电流，HIVERT高压变频器输入电流总谐波含量远优于国家标准5%的要求，输入功率因数接近1。

    ⑵高压变频功率单元

输入电源端连接变压器二次线圈的三相低压输出，采用IGBT全波整流为直流环节电容充电，电容电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。功率单元通过光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制IGBT导通和关断，输出单相脉宽调制波形。功率单元可选单元旁路功能。当某个单元发生缺相故障、过热和IGBT故障而不能继续工作时，这个单元及另外两相相应位置上的单元自动旁路，旁路开关导通，以保证变频器连续工作，并且发出旁路告警。单元旁路时，变频器运行单元数量减少，额定输出电压能力降低；当变频器运行频率低于40Hz时，变频器自动提高工作单元的输出电压，保证变频器输出性能不变，实现无扰动自动旁路。现在多个公司的变频器都已采用“中性点偏移技术”，可以不需要另外两相的对应功率单元，这样可以提高电压的利用率。

⑶高压变频控制系统

①控制器。由3块光纤板、1块信号板、1块主控板和1块电源板组成，各板之间通过母线底板连接。光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制1相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制信号或工作模式。各单元通过光纤接收触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。信号板采集变频器的输出电压、电流信号，将模拟信号隔离、滤波和量程转换，转换后的信号用于变频器控制、保护及提供给主控板数据采集。主控板采用数字处理器即DSP完成对电动机控制的所有功能，运用正弦波空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通讯口与人机界面主控板交换数据，提供变频器的状态参数，并且接受来自人机界面主控板的参数设置。

②接口板。用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强变频器现场应用的灵活性。接口板有处理2路模拟量输入和2路模拟量输出的能力，对单元柜温度、输入电流和输入电压进行采样，计算输入功率。模拟量输入用于处理模拟量设置时的设置信号和来自现场的流量、压力等模拟信号，信号经过处理后送到人机界面进行模数转换；模拟输出量是运行频率和输出电流。

③人机界面。由主控板、电源板、液晶显示屏和触摸键盘组成，负责信息处理和与外部通讯联系，可选上位监控面实现变频器的网络化控制。主控板通过主控板和D接口板通讯来的数据，计算电流、电压、功率、运行频率等运行参数，提供表计功能，实现对电动机过载、过流告警和保护；通过RS232通讯口与主控板连接、RS485通讯口与D接口板连接，实时监控变频器系统的状态。主控板2个模拟输入通道可以接收0～10V或4～20mA模拟信号，1路用于频率或闭环运行时的给定量模拟设定，1路接收来自现场变送器的压力或流量等信号。

⑷体会

主井提升机采用HIVERT高压变频器后，吨煤电耗下降30%、功率因数由79%升至96.3%、电动机定子温度平均下降10℃、转子温度平均下降20℃；由于实现提升全过程电力牵引与电力制动，机械闸只在停车和安全回路保护动作时才起作用，闸瓦磨耗大幅度减少。

4  高压变频调速器在矿井提升系统的应用

位于济宁市汶上县的山东新风光电子科技发展有限公司，根据冀中能源峰峰集团有限公司对煤矿提升机故障率高、运行效率低的绕线式异步电动机转子串电阻有级调速电控系统进行变频改造的要求，研制出提升机专用的高压变频调速器。

⑴高压变频调速器构成

①系统结构。JD-BP37型高压提升变频调速器以最新型IGBT为主控器件,全数字化,彩色液晶触摸屏控制。它采用先进的矢量控制变频调速技术完成提升机的四象限运行,用于鼠笼式电动机或绕线式转子串电阻电动机控制，既可用于新矿井安装也可用于老矿井改造。    此高压提升变频调速器系统采用若干个低压逆变器功率单元串联的方式实现直接高压输出。所用的6kV高压提升变频器,其变压器有18组副边绕组,分为6个功率单元/相,三相共18个单元、36脉冲整流,输入端的谐波成分满足国标规定。
    ②功率单元结构。每个功率单元结构完全一样,为基本的交—直—交双向逆变电路,可以互换。整流桥进行三相全桥方式整流，整流后给滤波电容充电，确定母线电压,通过对逆变块B的IGBT逆变桥进行正弦PWM控制实现单相逆变。电动机进入发电状态后，逆变块B的二极管完成续流和全波整流作用，能量转移至滤波电容；母线电压升高到一定程度后，启动逆变块A进行SPWM逆变，通过输入电感返回移相变压器次极,再通过变压器将能量回馈电网。
    ③输入侧结构。由移相变压器给各单元供电，每个功率单元都承受电动机电流、1/6相电压、1/18输出功率。18个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组,功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化、降低输入电流的谐波成分。

④输出侧结构。由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星形接法给电动机供电。通过对每个单元PWM波形重组得到的阶梯PWM波形正弦度好，dv/dt小，减少对电缆和电动机绝缘损坏，电动机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；电动机的谐波损耗大为减少,消除由此引起的机械振动，减小轴承和叶片的机械应力。

⑤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，增强系统的灵活性。控制器核心由高速DSP和工控PC机协同运算来实现，精心设计的算法可以保证电动机达到最优运行性能。工控PC机实现远程监控和网络化控制。

⑵高压提升变频调速器主要技术性能

高—高电压源型变频器直接6kV输入、输出，无须任何输出变压器或滤波器，适配于普通高压电动机,对电动机、电缆绝缘无损害；单元电路模块化设计,维护简单,互换性好；高压主回路与控制器之间为光纤连接,强弱电隔离,安全可靠；内置PLC，易于改变控制逻辑关系，灵活选择现场控制/远程控制,适应现场多变需求；完善的故障检测、精确的故障保护及准确的定位显示和报警；提供2倍以上启动转矩及直流制动、回馈制动等多种制动方式，满足电动机四象限工作要求；输入功率因数高、电流谐波小,无须功率因数补偿与谐波抑制装置；采用载波移相控制技术,极大抑制输出电压的谐波成分, 输出阶梯正弦PWM波形；控制电源与高压电相互独立,无高压检测变频器输出，便于现场调试、培训及维护；采用准优化SPWM调制技术,电压利用率高；功率单元经24h高温老化、150%负载试验,可靠性高；单片机提供LED数码显示屏和小键盘操作平台对变频器进行全部操作，包括参数设置和各种运行指令；上位机放在总控室,可对多台变频器进行遥测、遥控，接收和输出多路工业标准信号。

⑶高压变频调速系统基本性能

①直流制动。当重车在中间停车时,PLC检测到停机信号后给控制器发出信号,让提升机由高速平滑降到低速,然后由控制器发出直流制动信号,使提升机停止运行；待PLC检测到机械制动信号后,PLC发出信号让控制器去掉直流制动信号,提升机靠机械抱闸类装置起作用。起动时,先对提升机施加1个直流制动信号,PLC检测到机械抱闸信号后发出信号给控制器去掉直流制动信号,然后由控制器加上起动电压让提升机开始转动。

②运行速度的控制。为了减少运行过程中的机械冲击,在提升机起动和停止过程中做到加速度连续、不同的频率对应不同的加减速率。在高压变频调速系统控制中将不同频率的加减速率规划成表格,运行中用查表的方法确定对应频率时的加减速率,使提升机平滑运行。

③自动限速保护。提升机运行到终点时,限速开关给出减速信号,PLC检测到减速信号后发送给控制器,由控制器启动自动减速程序,使工作频率按设定要求逐步变为低速运行。提升机带有的测速发电机给出超速信号,PLC检测超速信号发送给控制器,进入自动减速运行。

④再生能量通过功率单元处理。电动机处于发电状态，功率单元母线电压高。母线电压超过电网电压1.1倍时,CPU根据比较器和相位检测的结果输出6路SPWM波形,使逆变块A的IGBT工作,通过输入电感,电动机的再生能量通过移相变压器回馈电网。
    ⑷利用高压变频调速系统改造原调速系统

  新的变频调速系统与原调速系统并存，互为备用，工频、变频系统都利用原操作机构操作，随时可以切换。使用变频调速系统后具有以下优点：变频系统无需原电控调速用的交流接触器及调速电阻，提高系统可靠性，改善作业环境，使噪音及室温降低；实现低频低压的软起动和软停止，运行更平稳，机械冲击小，避免掉道现象；起动及加速过程冲击电流小，加速过程中最大电流不超过额定电流1.3倍，提升机在重载下从低速平稳无级平滑升至最高速，没有大电流出现，减小对电网的冲击；增加直流制动功能，使重车停车时更加平稳，有效避免溜沟现象；采用回馈制动技术成功解决位能负载在快速减速或急停时再生发电能量处理问题，保证变频器的安全运行；节能效果显著，据实测低速段节能37%以上；采用变频控制后绕线式电动机改为普通电动机，节约1/3投资，而且避免电动机转子炭刷的烧损及维护。
5  能量回馈型高压变频技术在矿井提升的应用

矿井提升系统一般装机容量大、能耗高，拖动电动机要在4个象限内频繁启动、制动和反向运行，要求矿井提升系统具有较高的可靠性。位于济宁市微山县的山东省七五生建煤矿通过传统的绕线式电动机转子串电阻调速方式和高压变频调速方式的研究对比，利用能量回馈型矢量控制高压变频器电控系统对4#副井主提升机控制系统进行改造，取得了预期的效果。

⑴4#副井原有主提升机调速方式

提升机的运行过程分为起动、加速、等速、减速、低速、制动停车等阶段。该矿4#副井主提升机采用缠绕式双滚筒交流电动机驱动运行，电控系统采用电动机转子串电阻分段有级调速方式。电动机的转差率与绕线式异步电动机转子串入的附加电阻值正相关；当电动机处于较低的转速时，电动机转速与串入电阻呈现负相关。传统的串电阻调速方式耗电高、噪音大、故障率高，无法实现恒转矩提升，必然要被先进的变频调速技术取代。

⑵⑴能量回馈型矢量控制高压变频调速

①能量回馈技术。能量回馈是电能的转化形式。逆变器能量回馈技术是电流转化技术，能将直流电源转换成交流电源，与交流电网相衔接。与电能做功过程相反，能量回馈技术的作用原理是将生产机械中储存的动能或势能转化为电能传输到电网，即通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网，是1种节省能源的技术。

②能量回馈型矢量控制高压变频调速系统。其本体由激磁涌流抑制柜、变压器柜、功率柜、控制柜和人机操作页面组成。真空接触器和限流电阻安装在激磁涌流抑制柜内。变频器高压上电时，限制充电电流和激磁涌流不超过其额定电流；变压器内安装的整流变压器可以将网侧高压转换为副边的多组低压，为功率柜15块功率单元（低压交—直—交变流器）供电，变压器副边绕组的每个功率单元主回路都相对独立，变频器的高电压输出由各功率单元输出串联构成。输入移相变压器将输入的高压工频电变换成为多组低压工频电，低压工频电彼此间相互绝缘、电位独立，将低压工频电分别送到各个变频单元中；输入的各组低压交流电经整流滤波变换成直流电再逆变成单相交流电。为了实现多重化和达到降低输入谐波电流的目的，二次绕组采用延边三角形接法。整个能量回馈型矢量控制高压变频调速系统的核心是控制柜，由于基于先进的控制理念，变频调速系统的所有功能都可以实现，电动机通过精心设计的控制器算法达到最优运行性能。

⑶改造实例

①改造情况。该矿4#副井主提升机原有电动机为YKJ630S-10型三相异步电动机，功率310kW，电压3000V，转速590r/min。采用能量回馈型矢量控制高压变频调速系统改造后，电动机改为HARSVERT-KYFVA06/060型绕线式三相异步电动机，功率500kW，电压6000V。改造方案保留原有的串电阻调速方式，同时将能量回馈型矢量控制高压变频器通过切换开关接入原系统。在变频器投入运行时，通过闭合开关将绕线式异步电动机转子通过转子切换柜短接。高压变频器投入矿井提升系统的作用机理如下：在变频器接受主控台正、反转及调速指令后，即驱动双电动机按照指令同步调速正反转运行；在原有的串联电阻调速系统进行启动后，转子切换柜将原有电阻串入绕线式三相异步电动机转子回路。通过转子切换柜的变向及串入转子电阻的逐级切换达到变向及调速的目的。隔离开关相互之间保持机械互锁，并且主控台操作系统可以操作控制开关的全部状态。这种高压变频调速系统和原有调速系统可以相互切换并且互为备用的模式，使得矿井提升机在运行中的风险大为降低。

②改造效益。他们在2013年4月对4#副井主提升机进行能量回馈型矢量控制高压变频调速系统改造后，正式投运至今状态良好，没有出现过故障。该矿通过对4#副井主提升机调速系统的高压变频改造，实现平稳控制提升机加减速的过程，减小运行过程中钢丝绳摆幅，降低电动机启动电流与振动，减少电动机转子串电阻的能耗浪费，电动机电刷故障率大为降低。据统计，该矿4#副井主提升机每月提升4000钩以上，现在采用高压变频调速技术比原先采用电动机转子串电阻启动调速技术每提升1钩节约电能5.4kWh，使用能量回馈型矢量控制高压变频器电控系统全年节约电能32万kWh，节约资金约21.82万元。

6  高压变频器在煤矿主通风机的应用

为了提高通风机运行效率，位于济宁市微山县的微山崔庄煤矿有限责任公司选用JD-BP37-400F高压变频器对矿井主通风机进行改造，取得良好的经济效益和社会效益。

⑴矿井主通风机采用变频调速改造

崔庄煤矿是新建矿井，目前需要风量较小，生产后期的风阻较大。该矿主通风机是按照容易期风量82.5m³/s、风压1764Pa和困难期83m³/s、风压2646Pa设计的。2台轴流式通风机互为备用。2K58-№24型轴流式通风机转速743rpm；配备Y450-B型电动机，额定功率355kW，额定电压6000V，额定电流45.7A，额定转速743rpm。

①变频改造前的工况。该矿测量，主通风机风叶角度32.5°、风量85m³/s、负压1750Pa，电动机电流43A、工况功率344kW，主通风机全速运行时工作在低效区内。调节风叶角度和风门来调整风量、风压严重浪费电能。他们根据厂家提供的通风机特性曲线图制定主通风机预计工况点。当风叶角度增为40°、转速降至654rpm，主通风机工作在特性曲线高效区。

②JD-BP37-400F高压变频器。以高速DSP高压变频器为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高—高电压源型变频器，其指标远优于IEE519-1992谐波国家标准，输入功率因数高、输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dV/dt、共模电压等问题，可以使用普通异步电动机。

③变频运行后的工况。该矿测量，变频器输入电流24A，运行频率44Hz，功率因数0.975，负压1700Pa，风量82.5m³/s，主通风机效率达到81%。完全符合现在生产需要。工频旁路电路在系统重大故障时可将主通风机投入工频运行，避免因通风影响煤矿安全生产。

⑵高压变频调速改造主回路控制

此高压变频调速系统由一次回路进线柜（旁路柜）、变压器柜、变频单元柜和操作控制柜组成。旁路柜在变频器维护或故障时将电动机投入工频电网运行，保证生产不受影响。变频运行时，变频器为电动机提供全面的保护。

手动旁路柜共有1#、2#、3#共3个高压隔离开关。为了确保不向变频器输出端反送电， 2#、3#采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。当1#和3#高压隔离开关闭合、2#高压隔离开关断开时，电动机变频运行；当1#和3#高压隔离开关断开、2#高压隔离开关K时，电动机工频运行，变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。旁路柜必须与上级高压断路器连锁，高压断路器合闸时绝对不许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防出现拉弧现象，确保人员和设备的安全。

⑶通风机系统变频改造效果

①节能效益。经测量，变频时电动机消耗功率243.17kW、工频时为344kW。按24h/d运行、300d/a、0.6元/kW·h计算，采用变频技术后通风机节电725976kW·h/a，年节约电费43.56万元；供电线路减少无功功率1653624kvar/a，按线路损失5%计算，年节约电费4.96万元；总计全年节省电费48.26万元，年节电率32.65%。

②其它效益。主通风机实现软启动，避免启动电流对电网的冲击，还可以随时启动或停止；主通风机送风量不再由风叶角度和风门调节，而是通过变频调节主通风机转速来实现，调节范围0～100%，可以根据井下需要实时调节风量，减少不必要的浪费；主通风机大部分工作时间都在较低速度下运行，极大降低主通风机工作的机械强度和电气冲击，延长使用寿命；主通风机噪声降低，改善工作环境；主通风机由变频器进行控制，严格按程序进行控制，在矿监控室显示通风系统电气参数及设备运行状态，实现生产过程对主通风机的自动控制；保护功能齐全，除过压、欠压、过热、过载、短路、缺相等自身保护功能外，还设有故障单元自动旁路、外围联锁保护系统及变频故障转工频等功能，提高系统的安全稳定性。

7  结束语

矿山提升机变频调速系统具有控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点，随着变频调速技术的日益成熟与能源节约要求的必然趋势，已经成为矿山提升机传动的发展方向。