关键词：矿井提升机  矢量控制  能量回馈

    矿井提升机是一种大型提升机械设备。由电机带动机械设备，以带动钢丝绳从而拉动容器在井筒中或者斜坡上运行，完成输送任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。现代的矿井提升机提升量大，速度高，安全性高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。

    矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒（或摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动。按提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种，钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。单筒大多只有一根钢丝绳，连接一个容器。双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳，连接两个容器，运转时一个容器上升，另一个容器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中。摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。提升绳的两端各连接一个容器，或一端连接容器，另一端连接平衡重。摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机（机房设在井筒顶部塔架上）和落地摩擦式矿井提升机（机房直接设在地面上）两种。按提升绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。

    提升机无论正转、反转其工作过程是相同的，都有起动、加速、中速运行、稳定运行、减速、低速运行、制动停车等七个阶段。每提升一次运行的时间，与系统的运行速度，加速度及斜井或竖井的深度有关，各段加速度的大小，根据工艺情况确定，运行的时间由操作工人根据现场的状况自定。

    目前大部分大中型煤矿的矿井提升机都是采用绕线式电机转子串电阻的方法进行分段有级调速。其基本原理是：当绕线式异步电动机转子串入附加电阻后，电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行，串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法的优点是设备简单，控制方便；但缺点是转差功率以发热的形式消耗在电阻上，且次方法属于有级调速，机械特性较软。在实际应用时电阻的投切采用继电器—交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障。另外，由于是有级调速，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确。提升机频繁的起动﹑调速和制动，在转子外电路所串电阻的上产生相当大的功耗，造成了能源的大量浪费。起动和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行震动大，安全性较差。所以对于安全和稳定性要求较高的矿山型企业来说，这种调速方法将很快被淘汰。

    高压变频调速技术，特别是能量回馈技术的高速发展为矿井提升机的调速和节能改造创造了条件。变频调速可实现0~50HZ全范围恒转矩无级调速，且下放重物时电机的再生能量可以直接反馈至电网。如采用矢量控制还可实现静态大转矩的软启动，对于竖井式的提升设备也能实现快速提升、下放及瞬间的加减速。

   恒鼎实业国际发展有限公司是集煤炭开采、洗选、炼焦为一体的综合型煤炭企业，于2007年9月在香港联合交易所主板上市（股票代码01393），是中国第一家在境外主要资本市场IPO上市的能源型民营企业。近几年来恒鼎实业公司积极响应国家节能降耗政策，已对旗下大部分煤矿的矿井提升机进行变频改造。恒鼎实业贵州盘县几大煤矿采用北京利德华福电气技术有限公司的FVA型变频器共七台，对矿井提升机设备进行改造，实践证明，使用变频调速后提升机运行的稳定性和安全性大大提高，减少了运行故障和停工检修工时，节省了人力和物力，提高了运煤能力，直接和间接的经济效益也很可观。

                                              图1：现场工艺工况

       主体设备由以下几个部分组成：

    ①北京利德华福公司提供的高压变频调速系统：

                   

                                     图2：高压变频调速系统 

    主要参数如下：

        型号：HARSVERT-FVA10/030，能量回馈型矢量控制

        额定电压：10kV

        额定电流：30A

    ②佳木斯电机厂生产的高压电机：
                                   

                                          图3：高压电机

    主要参数如下：

    型号：Y4507-6

    额定电压：10kV

    额定电流：23.9A

    电机极数：6极

    额定转速：989转/分

    ③贵州高原矿山机械有限公司生产的卷筒、减速机构、液压和电控系统：

    主要参数如下：

    型号：JK-2.5×2.0P

    卷筒直径：2.5米

    最大提升速度：3m/s

    滚筒容绳量：2km

                                             图4：减速机构

                                             

                                                图5：卷筒

                                             

                                            图6：液压系统
                      

                                       图7：电控系统（操作台）

     除以上设备外还有深度指示系统（图8）和润滑系统（图9）：

                                       

                                         图8：深度指示系统

                                         

                                         图9：减速机构润滑系统

    润滑站用于对减速机构的润滑，深度指示系统通过传动杆与卷筒的滚动轴相连，用于提供小车在井下运行时与地面的相对位置给操作台，以便于设置加减速时间点和保护逻辑。液压系统由液压站和液压闸阀组成。液压泵站驱动位于滚筒前后左右共四组16个液压闸阀，每个闸阀与刹车片相连，以用于紧急抱闸和松闸。变频器、液压系统的I\O点及其他所有辅助系统的状态信号均送至操作台上的PLC，PLC与操作台上的触摸屏使用MODBUS通信，以便于状态监控和参数设置。操作台上的控制按钮及手柄用于绞车运行的手、自动切换及开、停车操作。
 

        对于变频器来说，定义电机的运行象限为变频器的运行象限，以电机的转矩为横轴，转速为纵轴，建立平面直角坐标系，如图10所示：

                                                      

       当电机的输出转矩与电机转向相同时，如电机拖动风机、水泵、压缩机、带轮等稳态或加速运行，或拖动提升机提升重物时，电机运行在电动机方式下，变频器从电网获取有功功率并输出给电机，变频器运行方式在能量输出状态下，即处于第一、三象限。而当电机输出的转矩与电机转向相反时，如电机拖动风机等轴负载减速制动运行，或者电机拖动绞车下放重物时，电机运行在发电机方式下，变频器将从电机获取有功功率并回馈至电网，变频器运行于第二、四象限，处于能量回馈状态。

    普通的变频器电网侧采用二极管不可控整流或者半可控整流，仅能工作在第一和第三象限，称为两象限变频器；如果电网侧采用全可控整流的话则可以使变频器工作在四个象限，则这种变频器称为四象限变频器或能量回馈型变频器。

在提升机上使用能量回馈型变频器，在停车或下放重物时，变频器可以驱动电机输出制动力矩，从而不仅可以实现快速制动（50HZ停车只需10秒），还可将负载的动能转化成电能直接回馈于电网。

      电压源型能量回馈变频器的基本拓扑结构如图11所示：

                                               

    其中，网侧逆变器称为有源前端，负责控制变频器与电网之间的能量交换；电抗器为电网与变频器之间的能量流动提供条件，并限制网侧逆变器电流；网侧滤波器用于吸收网侧逆变器发出的开关频率滤波电流，阻止其注入电网。

将上述结构进行简化，将网侧逆变器等效为一可控电压源，将电网与滤波器等效于一个理想电压源，设电网电压角频率为，有效值为E，相位为0°；网侧逆变器输出有效电压有效值为U，相位为，电感大小为L，则，

    从电源E流向电源U的有功功率为：

    从电源E流出的感性无功功率为：

    由此可知，通过调整网侧逆变器的输出电压U的幅值和相位来调节变频器与电网之间的有功和无功交换：当U滞后E时，>0°，P>0，变频器从电网吸收有功功率；当U超前E时，<0°，P<0，变频器向电网回馈有功功率，即处于能力回馈状态；当

    综上，只需精确控制变频器网侧逆变器的输出电压，即可控制其有功功率和无功功率的大小和流向，实现能力回馈。实际控制上往往通过控制电感上的电流来控制变频器与电网间的功率交换。

       目前国内大部分变频器均采用单元串联多电平的方式，带能量回馈的拓扑结构与非能量回馈的类似，区别在于每个功率单元内，将原有的二极管不可控整流桥改为IGBT逆变桥，如图12、图13所示。此外，为了滤除网侧逆变器产生的开关频率高次谐波电流，阻止其注入电网，在输入侧增加了一组网侧滤波器。

                                                     

                                       
       为了控制各个功率单元的直流母线电压，在每个功率单元内设置单独的控制器，执行网侧逆变器的矢量控制算法，当变频器由能量输出状态转入能量回馈状态时，有功功率从电机流入变频器，造成每个功率单元的直流母线电压上升。各个功率单元内的控制器检测到这一上升电压后，将从电网流向功率单元的有功电流给定值减小至一负数，这个时候主控制器会预先通过程序锁定电网电压的幅值、相位和频率，然后使功率单元的网侧逆变器输出PWM波，各个功率单元产生的PWM波通过叠加后形成与电网相适应的正弦波再向电网回馈有功功率。
 

    用工频时,需要5—7倍的启动电流，用变频器时,可在零速零电压启动（当然可以适当提高转矩提升），采用矢量控制的话启动时动态转矩最大为150%的额定转矩，可带全负载起动。

    变频器在制动中,由于负载下降时,电机转速随频率而下降,这是由制动产生的功率能量（势能）通过网侧逆变器回到电网中。还有电机在刹车停车时,电机的惯性作用所发生的能量（势能）也能变成再生能源,回到电网中重新利用。所以，使用变频器节能效果明显。
 

        矢量控制技术实现了大转矩、小电流启动和转速及转矩的精准调节，而能量回馈技术则使变频器的节能功效进一步优化。因为传统的变频调速节能只是在满足现场工艺的条件下，将阀门或挡板节流所产生的能量损失减少，而能量回馈则还将电机在二、四象限运行时处于发电机状态下的再生能量直接回馈至电网。不仅不会产生像转子串电阻或能耗制动方式那样将不可用或再生的电能以电阻发热的形式消耗掉的情况，而且还将这部分能量得以利用，从而使变频器的节能效果更加明显。

       煤矿生产也是一个高耗能行业，现代的大型电动机械代替了传统的人工开掘方式。皮带机、提升机、瓦斯抽排风机、主扇风机的容量逐渐变大，高压大功率电机的应用进一步推广。而在现有的工艺条件下实现大幅度的节能降耗将成为企业长期生存下去的必要条件。

    高压变频技术的迅速发展为煤矿行业的节能降耗提供了一个非常有利的契机。利德华福公司依托清华大学的学术优势，拥有10多年的技术和经验沉淀，矢量控制能量回馈型变频器的大力推广将为煤炭等矿山型企业的节能降耗提供强有力的技术支持和保障。