第五章  矿山行业

第二节  矿井提升机变频调速节能改造案例（1）

一、前 言
　　在矿井的各种动力设备中，提升机系统是最为重要、耗能最大的设备。主井提升机是矿井型煤矿的重要提煤设备，是煤矿的“四大件”之一，其重要性不言而喻。提升机运行的可靠性直接影响矿井的产能和人员、设备升降井速度，直接关系到矿井的安全生产水平；同时提升机的调速方式也是对吨煤电耗水平影响最大的因素。
　　长期以来，矿用提升机普遍使用绕线式异步电机转子串电阻的方法进行调速控制。该方法成本较低，但转矩脉动大，电机电流大，能耗高，且转子串电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，影响企业安全生产水平。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可以从根本上解决上述问题。
   煤矿提升机是煤矿生产的四大件设备之一，在生产中具有非常重要的地位。煤矿主井提升机主要作用是提煤，特殊情况下可能需要提升工作人员。
  煤矿提升机对电气传动性能要求非常高，因为电气传动性能的好坏，会影响煤矿的生产效率，严重的甚至能影响煤矿的正常生产，煤矿提升机电气系统要求可靠性高，调速特性硬，调速精度高，四象限运行，动态响应速度快，可以准确制动和定位。
  目前国内的煤矿提升机调速系统主要有直流调速系统和交流调速系统，这里对直流调速系统不详细分析，主要阐述交流调速系统。交流调速系统分为同步机调速系统和异步机调速系统，同步机主要用交交变频器调速，异步电机主要用转子串电阻调速。交直交高压变频器进入提升系统领域后，同步机和异步机的调速发展趋势是会统一到交直交高压变频调速。
  在高压变频器领域，中国的民族企业已经走在世界的前列，国产高压四象限变频器的性能，已经能够和国际一些大品牌传动厂商的产品性能相媲美了。在比国外产品具有更高的性价比的前提下，产品逐步得到用户的认可，在国内市场的占有率迅速提高。

二、绕线式异步电机转子串电阻调速方式的运行特性分析

此方式通过切换交流接触器或者可控硅，     

在电机的转子回路串入不同阻值的电阻，起       

到调速运行的作用。根据实际工况不同，一       

般电阻分成4-8级，每级设有短接开关，如       

图1所示（图中为4级电阻调速系统）。        

           图1：异步电机转子串电阻调速系统电路图

    在电机启动之初，所有短接开关处于分断位置，所有电阻串联入电机的转子回路。当电机加速至一定转速时，闭合最靠中性点侧的短接开关（图1中最下端开关），电机转子所串电阻减少，随着电机进一步加速，绞车司机依次闭合另外几组短接开关，直至所有电阻被短接，电机运行至最高速。
　　电机减速时，先断开靠近电机绕组的短接开关，而后随着转速的降低依次断开另外几组开关，直至所有电阻被串入转子回路，进入爬行阶段，绞车到位后启动抱闸，同时断开定子侧高压断路器。
　　根据电机学原理，异步电机在转子串联不同数量的电阻情况下的输出转矩（即电磁转矩）与转速的关系曲线如图2所示，图中纵轴为电机的转速与额定转速之比，横轴为电机的输出转矩与额定转矩之比，图2中的5条曲线由上至下依次是串联0至4级电阻时电机的转矩-转速特性曲线。串联的电阻越多，低速下的输出转矩越大，高速下的输出转矩越小。
　　电机在串联不同电阻时的定子电流与转速的关系曲线如图3所示，电机从电网吸收的有功功率随转速的变化曲线如图4所示。

图2：转子串不同电阻时电机输出转矩与转速关系曲线

图3：转子串不同电阻时电机定子电流与转速的关系曲线

图4：转子串不同电阻时电机功率与转速的关系曲线

　　在加速过程中，一般采用转矩最优的控制方式，即在转矩-转速特性中串不同电阻曲线的交叉点处切换短接开关，此方式下，电机在加速过程中能获得最大的输出转矩，且开关动作前后电机的输出转矩连续变化。这一控制一般由绞车司机人工实现，也有系统用PLC自动控制完成。此控制方式下电机的转矩-转速曲线如图5中黑色粗线所示，图5中彩色细线与图2相同；图6为电机定子电流与转速关系曲线，黑色粗线为上述开关切换控制方式下的实际曲线，彩色细线与图3相同；图7为电机从电网吸收的有功功率与转速关系曲线，黑色粗线为上述开关切换控制方式下的实际曲线，彩色细线与图4相同。
　　图中不难看出，在上述控制方式下，电机的加速过程近似为恒转矩加速过程，电机输出转矩为1.8-2.1倍额定转矩；在加速过程中，提升机系统消耗的有功功率在2-2.2倍额定功率间变化，即使在低速时，由于串入电阻耗能巨大，电机虽然输出功率不大，但其从电网吸收的有功功率仍为额定功率的2-2.2倍；图9中，黑色粗线与图8相同，为电机从电网吸收的有功功率随转速变化的曲线，蓝色细线为电机输出的轴功率与定转子绕组损耗之和，二者之差为串联电阻所消耗的功率。图中不难看出，在高速段，由于串入的电阻较少，因此电阻上损耗所占比例不大，但在低速段，如电机的爬行阶段和加速起步阶段，电网提供的绝大部分功率被电阻所消耗，浪费了大量的能源。
   

 图5：转矩最优控制方式下，转子串电阻调速转矩-转速特性曲线        

图6：转矩最优控制方式下，转子串电阻调速定子电流-转速特性曲线

图7：转矩最优控制方式下，转子串电阻调速功率-转速特性曲线

图8：转矩最优控制方式下，电机从电网吸收功率与必要功率随转速变化曲线

图9：额定电流切换控制方式下，转子串电阻调速转矩-转速特性曲线

图10：额定电流切换控制方式下，转子串电阻调速定子电流-转速特性曲线

图11：额定电流切换控制方式下，转子串电阻调速功率-转速特性曲线

图12：额定电流切换控制方式下，电机从电网吸收功率与必要功率随转速变化曲线