Application of High-Voltage Quadrature Amplifier Inverter in Steel Rope Conveyor System of Coal Mine

新风光电子科技股份有限公司    周加胜   刘德田   续庆凯

Xin Guangliang Electronic Technology Co., Ltd. Zhoujiasheng   Liudetian Xuqingkai

Abstract：This paper introduces the application of Xin Guang Yang's high-voltage four-quadrant inverter in the steel rope-driven belt conveyor system at Shiye Coal Mine of Shanxi Coal Group Co., Ltd. The production process of the main inclined conveyor driven by steel rope is analyzed, and the application of the inverter in the technical transformation is combined to illustrate the advantages of the high-voltage four-quadrant inverter in improving production processes, increasing production efficiency, protecting and extending equipment life, reducing maintenance costs, and energy saving and consumption reduction. It expands the application scope of high-voltage hoist inverter and is worth promoting in this field.

关键词： 高压四象限变频器  钢丝绳牵引带式输送机  回馈  节能降耗

Key Words: high-voltage four-quadrant inverter, wire rope traction belt conveyor, feedback, energy saving and consumption reduction

1、引言

陕煤集团铜川矿业下石节煤矿，位于陕西省铜川市耀州区瑶曲镇下石节村，距市区54公里。是铜川矿务局两大自然矿区之一。设计年生产能力初期为60万吨。1980年2月简易移交投产，1996-1997年经一期技改，开始使用综采放顶煤设备，此后连续6年坚持对各生产环节系统进行技术改造，经省煤炭工业局核定矿井年生产能力为160万吨，截至目前，经过多次技术改进和现代机械发展，该矿年产煤已达185万吨，成为陕西较大型的煤矿之一。

图1是煤矿的外景照。

图1、下石节煤矿外景图

2、 煤矿钢丝绳牵引皮带工艺介绍简述：

2.1工艺简述

下石节煤矿主提升采用主斜井钢丝绳牵引带式输送机通过煤仓转主平硐架线电机车牵引矿车，主井提升系统只核定主斜井钢丝绳牵引带式输送机能力。

钢丝绳牵引带式输送机(钢缆皮带)是用钢丝绳作牵引件，输送带作承载件的带式输送机。用于井下或地面输送煤炭、矸石等散状物料和运送人员，能适应地形起伏，是实现单机长距离输送的主要机种之一。它单机运距长，输送带寿命长(一般为10 年)，消耗动力少，机器重量轻，适应范围广。但驱动部及张紧部结构庞大，钢丝绳及托绳轮衬垫寿命短，成槽性差，对局部过载敏感，易掉带等。

其结构如图2所示：

图2、钢丝绳牵引皮带机结构图

2.2原系统存在的问题

原系统采用可控硅串级调速装置或双速电机加慢速传动装置实现变速，启动冲击电流大，对电网及皮带的冲击大，造成电网电压下降较大，易造成其他相关设备跳闸。皮带及电机磨损大，工艺难以控制，不能按照实际工况调节运行速度，调速时采用可控硅串级调速装置方式，装置笨重，可控硅器件容易损坏，不能可靠工作，维护成本大，时常造成设备停产，且不能实现无级变速，长期使用极容易烧坏，维修工作量大，亟需进行技术升级改造。

图3是钢丝绳牵引皮带机系统图

图3、钢丝绳牵引皮带机系统图

3、四象限高压变频器简介

为了减少原晶闸管控制系统的弊端，及机械传动加剧磨损老化程度，电控技改同时，增加了高压变频器控制平稳拖动电动机工艺，减缓了机械磨损老化进程，提高了调速及工艺稳定性。

JD-BP37/38系列四象限高压变频调速系统，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标，满足用户对于交流异步电动机类负载调速节能、改善生产工艺的迫切需要。本调速系统适配各种通用三相异步交流电动机，采用新型全控IGBT功率器件，全数字化微机控制，使得电动机能够在全周期四象限中稳定运行。

通用变频器大都为电压型交-直-交变频器。每个单元的三相交流电首先通过二极管不控整流得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经逆变输出电压、频率可调的交流电压，经过级联后给电动机供电。

但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的系统，要求电动机四象限运行，绞车在重物下放或重物上提的减速段，电动机的同步转速小于实际转速，这时电动机中电磁转矩方向和转子的旋转方向相反，电动机是处于发电制动状态。产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，使母线电压升高，过高的母线电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电动机的绝缘，从而威胁电动机系统安全工作。

为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量，实现电动机的四象限平稳运行，并克服传统制动方法的并联电阻消耗能量造成的浪费，在四象限变频器整流电路中采用全控型IGBT功率器件进行PWM控制，使能量双向流动，使电动机能在四象限中稳定运行，电动机很快达到速度要求，其特点为动态响应快。

当电动机处于电动状态时，能量由交流电网经整流器中间滤波电容充电，逆变器在PWM控制下将能量传送到电动机。变频器工作在第一、第三象限。输入电压和输入电流的波形如图4所示：

 图4、电动状态电压、电流波形图

当电动机进入发电状态时，其再生能量经输出侧IGBT的续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高，此时在PWM控制下将能量回馈到交流电网，完成能量的双向流动。此时能量由电动机通过逆变侧、整流侧流向电网。变频器工作在二、四象限。输入电抗器的主要功能是电流滤波。回馈电流和电网电压波形如下：

图5、发电状态电压、电流波形图

4、四象限变频器功能特点

采用新风光电子科技股份有限公司生产的高压提升机变频器技术，安装、调试简便；高-高电压源型变频器，直接6KV/10KV输入和输出，不需要输出变压器；全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶触摸屏；可满足电动机的四象限工作要求；输入功率因数高，电流谐波少，无须功率因数补偿/谐波抑制装置；输出阶梯SPWM波形，无须输出滤波装置，对电缆、电动机绝缘无损害，谐波少，减少轴承、减速器等的机械振动；功率电路模块化设计，维护简单；高压主回路与控制器之间为多路光纤连接，安全可靠；完整的故障监测电路、精确的故障定位和报警保护；自带冷却风机；内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；具备RS485通讯接口，标准Modbus/Profibus等通信规约，可实现远程监视；可接受和输出0～5V/4～20mA工业标准信号；完善的变频器参数设定功能；

4.1四象限变频功率单元主回路图如图6所示
 

图6、四象限变频器功率单元原理图

在电动状态下，三相交流电通过输入侧的IGBT模块的续流二极管进行全波整流，通过中间的滤波电容，将三相交流电变成稳定的直流，通过控制输出侧的IGBT模块的H桥，进行正弦PWM控制，输出可得到如图7 所示的波形，每个功率单元完全一样，可以互换，这不但调试、维修方便，而且备份也十分经济，假如某一单元发生故障，该单元的输出端能自动通过软件控制 IGBT 的两个上桥导通实现旁路，而整机可以降额工作，不影响运行。

当负载侧电机由于快速停止或频繁正、反转，皮带机在重物下放或重物上提的减速段，电动机的同步转速小于实际转速，这时电动机中电磁转矩方向和转子的旋转方向相反，电动机是处于发电制动状态。产生的再生电能通过输出侧的IGBT的续流二极管全波整流，叠加到直流母线上，使直流母线电压升高，当达到一定的界限时，主控控制输入侧的IGBT模块打开，通过PWM控制，相位检索，在同频、同相位的情况下将高出的能量再返回到电网，使母线电压稳定在一定的正常范围，从而保证逆变单元的稳定运行。
 

图7、单元输出波形图

4.2四象限变频器功率单元原理功能划分

四象限高压变频器功率单元功能划分如图8所示。

图8、四象限变频器功率单元原理功能划分

单元控制板的主控芯片，在电动状态下，受控制柜的主控的控制，向功率单元的逆变电路发出四路逆变驱动信号，使单元输出可以驱动电机运行的SPWM正弦脉宽调制信号，通过单元的串联，用载波移相技术，输出近似于正弦波的、频率与电压均可调整的信号，驱动电动机正常运行。同时通过采集IGBT导通时的结压降，时时跟踪负载的变化，当出现结压降大于规定的数值时，瞬间封锁IGBT的驱动信号，使IGBT模块迅速关断，保护IGBT模块不被损坏，起到过流保护的作用。同时温度采集板采集散热片的温度，通过通讯传到主控柜的芯片，并传递到人机界面，时时显示散热片的温度，并与设定值比较，当大于规定的温度时，实施可靠的过热保护，保护IGBT模块不受损坏。母线电压采集电路时时采集单元的母线电压，并通过通讯传递到主控芯片，通过人机界面时时显示出来。同时与设定的保护值相比较，当大于过压保护值和低于欠压保护值时，实施过压或欠压保护，保护单元器件，包括IGBT模块、整流模块及电解电容不被损坏。同时采集的母线电压，还要与芯片设定的回馈电压值相比较，当母线电压高于回馈电压时，在检测频率与相位一致的情况下，发出6路脉冲信号，使输入侧的IGBT模块开通，通过电抗器及输入侧变压器，向电网回馈，使发电状态下的泵升电压降低，维持在一个安全的工作范围内，保持母线电压的稳定，同时通过检测回馈的三相电流，与设定值相比较，实施必要的回馈过流保护，保护单元正常工作。

 4.3 四象限变频器功率单元控制功能介绍

单元控制板接收主控给的控制指令，接收从主控发送来的开关机信号，复位信号，旁路信号，单元逆变PWM，用于主控控制操作该单元；单元控制板给主控返回单元运行状态、单元电流、单元温度等信号用于主控进行控制和触摸屏的显示。单元控制板采集单元的3相输入电压，用于产生3相输入电压的同步信号，获取相电压的过零点，通过这3路信号，产生六路回馈逆变驱动信号。根据反向整流的控制思想产生六路回馈驱动信号完成单元回馈工作。单元控制板采集逆变模块和回馈模块结压降保护信号，用于CPLD做逻辑处理，旁路掉该单元，以及上传主控。

四象限变频器功率单元各种保护功能介绍。

单元故障包括缺相、过温、一级过压、过流、下行通讯、二级过压、欠压7种故障。各个故障信号处理如下：

表1、四象限变频器功率单元各种保护功能表

5、现场设备参数

5.1电机参数如表2

表2、电机参数表

5.2皮带机参数如表3：

表3、皮带机参数

5.3变频器参数如表4：

表4、变频器参数

6、设备调试

6.1现场控制工艺

现场2台高压电动机不同轴，1#电动机拖动1#减速机，并连接1#钢丝绳大驱动轮，然后连接1#从动轮，再通过钢丝绳连接到皮带机的1#皮带轮；另一台2#电动机同1#电动机类似，拖动2#减速机，连接2#钢丝绳大驱动轮，连接2#从动轮，再通过钢丝绳连接到皮带机的2#皮带轮。1#皮带轮和2#皮带轮为皮带上托辊的两端连接，出煤时，两驱动轮同时工作，当检修更换一侧的钢丝绳时，需要单机驱动带皮带轮运行调位，并在检修时段，还需要反转运行200米左右的位移。

6.2现场调试过程及参数配置

经过对现场工艺和电控操作功能的了解，将正反转功能设置为端子给定，当停车待机状态，接到反转信号，开机时，变频器执行反转，当反转信号消失时，开机时，变频器执行正转。根据用户现场要求，可实现主从机控制，单机运行控制，并告知用户两者切换步骤。经过空载、带载和重载测试，2台提升机变频器，已全部调试完毕，投入运行。

空载和轻载运行时，无任何异常现场，当重载启动时，由于起初设置的变频器参数，转矩提升为0.5%偏小，导致重载启动时，电控系统中变频器反馈速度超过0.75米/s的速度又突然低于0.75米/s的速度时，触发电控抱闸动作，此时变频器未停运，且间断性的输出力矩类似点动启停（此时应该是触发了过电流限制降频，导致反馈频率信号跌落，进而触发了电控系统低速防溜车抱闸功能）。经过与技术部同事沟通，修正转矩提升至1.2%，再未出现类似运行中抱闸的现象。

7、改造后的效益

1）实现了高压大功率电机的软启停。变频器是低频低压的软启动，启动电流可以在额定电流的一半正常启动，减少了对电网和机械系统的冲击，降低了能耗，延长了设备的寿命，实现了真正的软启动。

2）变频器采用了星点漂移，在单元故障的情况下，通过调整输出电压的星点角度，使整机输出最大的功率输出，保证到电机端三相线电压的平衡，消除了因单元故障造成的不平衡对电机的损害，有利于电机的长期运行。

3）采用了四象限运行提升机类变频器，在电机反转、急加速或减速段，能够将再生制动的能量及时处理掉，保证了变频器设备及电机的安全运行，并且回馈电网，更增加了系统的节能效果。

4）通过人机界面及上位机的监控，可以纵观全局，随时发现系统运行中的问题，及时了解各种运行参数，并及时反馈到运营中心，保证设备的安全有效运行。

5）投运后两个月来，根据运行记录，平均速度3米/秒，运行频率39Hz,输出电流39A，输出电压4KV,输入电流25A，输入电压6.3KV,每天运行16小时，没有出现过任何故障，节能率估算在22%左右，效果显著。

6）设备运行更加智能化，提升了系统的自动化效率。在提煤与提人的切换中，能够实现计算机智能控制，即保证提煤的工作效率，又增加了运输人员的安全性、舒适性，得到了广大矿工及技术服务人员的好评。

图9是设备改造后的运行画面。

图9、运行中的变频控制皮带机系统 

8、总结

在煤矿系统中，主要的大型设备，如提升机系统，皮带机系统，正逐步的在向自动化、智能化方向发展，用变频控制系统进行产品的升级改造，已是大势所趋。四象限提升机类变频器在钢丝绳牵引皮带机的成功运行，是在矿井提升系统的变频改造的又一成功案例。相信在不久的将来，变频器必将在工矿领域发挥越来越多的作用，为煤矿生产提质增效，节能及安全运行带来更多的便利，推动煤矿事业的发展。

作者简介：

续庆凯  男，1986年7月生人，技术支持工程师，现供职于新风光电子科技股份有限公司。

参考文献：

1、郭宗侦 王鹏 《高压变频器在东营东辛采油厂柱塞水泵上的应用》

《变频器世界》 2014.4

2、左有军 《高压变频器在煤矿提升机中的应用》

《煤矿技术》2010.11

3、《新风光变频器用户手册》
4、郑翔  《四象限矢量型高压变频器在矿井提升机上的应用》 

《变频器世界》2012.5