高压变频器在越南矿井提升机上的应用
摘要：变频改造是矿井提升领域提高工艺水平和节能的主要手段。本文对高压变频调速系统的原理、结构进行分析，结合越南光兴煤业有限公司提升机变频改造的现场，介绍HARSVERT-FVA系列能量回馈型高压变频器在矿井提升系统上的应用情况。
关键词：矿井提升机、高压变频器、矢量控制、能量回馈
摘要：变频改造是矿井提升领域提高工艺水平和节能的主要手段。本文对高压变频调速系统的原理、结构进行分析，结合越南光兴煤业有限公司提升机变频改造的现场，介绍HARSVERT-FVA系列能量回馈型高压变频器在矿井提升系统上的应用情况。
关键词：矿井提升机、高压变频器、矢量控制、能量回馈
一、引言
在矿井的各动力设备中，提升机系统是最为重要、耗能最大的设备。提升机运行的可靠性直接影响矿井的产能，直接关系到矿井的安全生产水平。
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，该方法虽然成本较低，但转矩脉动大，电机电流大，能耗高，且控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，直接影响到企业产能和安全生产水平。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。
在矿井的各动力设备中，提升机系统是最为重要、耗能最大的设备。提升机运行的可靠性直接影响矿井的产能，直接关系到矿井的安全生产水平。
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，该方法虽然成本较低，但转矩脉动大，电机电流大，能耗高，且控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，直接影响到企业产能和安全生产水平。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。
二、企业介绍
图1、越南光兴煤矿办公楼
越南光兴煤矿为越南工业部下属企业，位于越南锦普市，距离越南著名景点下龙湾仅有20公里，该煤矿在当地有多个矿井，此次改造涉及的是其中一个矿的副井，为23度斜角的斜井，矿井设计生产能力：90万吨/年。
三、设备改造情况
1、改造前的情况
煤矿没有改造前，电机的调速方式采用传统的串电阻调速方式，该调速方式属于落后技术，存在以下问题：
（1）提升机频繁启动和制动，在加减速过程中转子所串电阻产生相当严重的能耗，且串电阻调速系统存在着占地面积大、发热量高、噪声大等缺点；
（2）串电阻调速系统控制线路复杂，工作稳定性和可靠性差，缺乏故障诊断功能，排查故障困难；
（3）启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机的使用寿命大大降低；
（4）转子串电阻调速系统的调速属有级调速，调速范围受限，调速精度低，爬行速度不易控制，尤其是重物下放时，需要动力制动与转子串电阻及制动闸配合操作，司机不易控制，安全性能差；
（5）加减速过程转矩脉动大、小车平稳性较差、缆绳摆幅较大，人员升降舒适性差；
（6）电机滑环接触不良，易引起设备故障，维护工作量及费用高。
为解决上述问题，实现企业效益最大化，矿方经过考察多个用户现场提升机变频器使用情形后，决定选用北京利德华福电气技术有限公司生产的四象限能量回馈型高压变频调速系统，对副井提升机系统进行技术改造。这种采用电控台和高压变频器相结合的控制方案，提高了整个电控系统安全可靠性、控制精度及调速性能，为用户提高生产效率的同时，又达到了节能减耗的目的。
（1）提升机频繁启动和制动，在加减速过程中转子所串电阻产生相当严重的能耗，且串电阻调速系统存在着占地面积大、发热量高、噪声大等缺点；
（2）串电阻调速系统控制线路复杂，工作稳定性和可靠性差，缺乏故障诊断功能，排查故障困难；
（3）启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机的使用寿命大大降低；
（4）转子串电阻调速系统的调速属有级调速，调速范围受限，调速精度低，爬行速度不易控制，尤其是重物下放时，需要动力制动与转子串电阻及制动闸配合操作，司机不易控制，安全性能差；
（5）加减速过程转矩脉动大、小车平稳性较差、缆绳摆幅较大，人员升降舒适性差；
（6）电机滑环接触不良，易引起设备故障，维护工作量及费用高。
为解决上述问题，实现企业效益最大化，矿方经过考察多个用户现场提升机变频器使用情形后，决定选用北京利德华福电气技术有限公司生产的四象限能量回馈型高压变频调速系统，对副井提升机系统进行技术改造。这种采用电控台和高压变频器相结合的控制方案，提高了整个电控系统安全可靠性、控制精度及调速性能，为用户提高生产效率的同时，又达到了节能减耗的目的。
2、改造中的变频器情况
此次变频改造选用1台HARSVERT-FVA06/035高压变频器，额定电压6kV，额定电流35A，额定功率280kW，额定容量350kVA。
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，通过无速度传感器矢量控制算法对电机进行精确的控制。
HARSVERT-FVA系列能量回馈型矢量控制高压变频器采用单元串联多电平的拓扑结构，由旁路柜、激磁涌流抑制柜、变压器柜、功率柜和控制柜组成，外观如图2所示，各柜体结构如图3所示，主回路拓扑如图4所示 。
图2、高压变频器现场安装情况
此次变频改造选用1台HARSVERT-FVA06/035高压变频器，额定电压6kV，额定电流35A，额定功率280kW，额定容量350kVA。
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，通过无速度传感器矢量控制算法对电机进行精确的控制。
HARSVERT-FVA系列能量回馈型矢量控制高压变频器采用单元串联多电平的拓扑结构，由旁路柜、激磁涌流抑制柜、变压器柜、功率柜和控制柜组成，外观如图2所示，各柜体结构如图3所示，主回路拓扑如图4所示 。
图2、高压变频器现场安装情况
图3、高压变频系统的构成
图4、高压变频系统主回路拓扑结构
旁路柜的设置主要是为了在变频器检修时能够与高压母线形成明显的断开点，保证人身及设备安全。
变频器上电时冲击电流可达到额定电流的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移相变压器，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。
功率柜中的功率单元是整个变频系统的心脏，能量回馈功率单元采用有源前端（AFE）、直流环节（DC-
图5：模块内部拓扑结构
变压器柜内装有整流移相变压器，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。
功率柜中的功率单元是整个变频系统的心脏，能量回馈功率单元采用有源前端（AFE）、直流环节（DC-
图5：模块内部拓扑结构
变频器主控系统通过光纤统一控制各功率单元的输出侧IGBT，使变频器整机输出叠加后的多电平PWM电压波形，如图6所示。该电压具有很高的正弦度，谐波含量很低。
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图6：高压变频器输出线电压波形
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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。
高压变频调速系统的原理及拓扑结构如图7所示。
图7：变频器原理及系统拓扑结构
图7：变频器原理及系统拓扑结构
3、改造中的变频器与电控系统的配合
高压变频器是整个改造系统的一个核心部分，它具有与电控系统相适配的各种接口。配合自动控制的操作台运行时，电控台向变频器发出“正转运行”、“反转运行”和“变频急停”三路开关量信号，以及一路4～20mA“给定转速”信号。变频器向电控台发出“变频器待机”和“变频器故障”两路开关量信号，以及用于显示的模拟量输出信号。电控台控制高压断路器分、合闸，变频器输出的“合闸允许”与“紧急分断”分别连入相应的控制回路中。绞车上安装的轴编码器向电控台发出电机转速及绞车位置信号。电控台接受绞车司机的操作指令。如图8所示。
图8、变频器与现场接口
变频器执行电控系统的指令，完成启动、停止及其加减速的动作。当制动手柄与主令手柄推离零位后，经过可编程控制器的运算发出模拟量（电流源）信号作为高压变频器的模拟输入给定，同时发出“正转运行”或“反转运行”指令，高压变频器接收到电控台发出的指令，按照根据绞车速度曲线图设定好的加速时间进行升速。随着高压变频器输出频率由最低升至最高后，提升机进入高速段。当提升容器运行至减速点时，电控台通过输入给定控制变频器，变频器依据设定好的减速时间逐渐由最高频率向设定的爬行速度对应的频率降速，提升机从高速阶段进入减速段运行。当前速度降至爬行速度时，提升机进入到低速段运行，并保持该速度。提升容器运行到卸载位置时，电控台进行抱闸操作，同时发出“变频器急停”指令，至此完成一次提升过程。
整个提升机系统中设有深度指示失效、限速、过卷、反转、制动油过压、闸瓦磨损、松绳、速度监视、制动油超温、润滑油超压欠压、变频器的轻重故障等保护功能。系统能根据故障性质作出响应，必要时实施紧急制动或二级制动，确保设备及人员的安全。
整个提升机系统中设有深度指示失效、限速、过卷、反转、制动油过压、闸瓦磨损、松绳、速度监视、制动油超温、润滑油超压欠压、变频器的轻重故障等保护功能。系统能根据故障性质作出响应，必要时实施紧急制动或二级制动，确保设备及人员的安全。
4、改造的过程
先把变频器安装到位，进行主回路线路改造，然后将变频器控制系统及单机高压调试正常，接着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。整个改造工程流程图如下：
先把变频器安装到位，进行主回路线路改造，然后将变频器控制系统及单机高压调试正常，接着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。整个改造工程流程图如下：
（1） 高压变频器的安装；
（2） 提升系统主回路的改造；
（3） 高压变频器控制电调试；
（4） 高压变频器单体高压调试；
（5） 操作台本体的安装及调试；
（6） 高压变频器与操作台之间的连接及信号调试；
（7） 高压变频器及操作台与原提升系统的信号连接；
（8） 提升系统初步统调；
（9） 变频提升系统重负载细调；
（10） 变频提升系统正常运行。
5、改造后的效果
改造后，变频器成功应用于绞车生产，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）实现了软启动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠；
（4）实现了无级平滑调速，可在静态或动态任意调整电动机转速，运行平稳，无转差冲击；
（5）提升机加减速过程的平稳控制，运行过程缆绳摆幅明显减小，人员升降舒适性明显提高；
（6）基本无维护工作量，操作简单，减低了维护人员和操作人员的工作强度；
（7）系统具有更完善的软硬件保护环节。
改造后，变频器成功应用于绞车生产，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）实现了软启动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠；
（4）实现了无级平滑调速，可在静态或动态任意调整电动机转速，运行平稳，无转差冲击；
（5）提升机加减速过程的平稳控制，运行过程缆绳摆幅明显减小，人员升降舒适性明显提高；
（6）基本无维护工作量，操作简单，减低了维护人员和操作人员的工作强度；
（7）系统具有更完善的软硬件保护环节。
四、 总结
HARSVERT-FVA系列能量回馈型高压变频器在越南光兴煤矿提升机系统的成功应用，不但为用户创造了巨大的经济效益和社会效益，而且也证明了我公司高压变频器在领域内的技术领先性和质量可靠性，为我们赢得了更多的国际声誉。同时，进一步证实对提升机系统进行变频改造的可行性和必要性，值得大力推荐和应用。
HARSVERT-FVA系列能量回馈型高压变频器在越南光兴煤矿提升机系统的成功应用，不但为用户创造了巨大的经济效益和社会效益，而且也证明了我公司高压变频器在领域内的技术领先性和质量可靠性，为我们赢得了更多的国际声誉。同时，进一步证实对提升机系统进行变频改造的可行性和必要性，值得大力推荐和应用。
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