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摘要：變頻改造是礦井提升領域提高工藝水平和安全技改的主要手段。本文對高壓變頻調速係統的原理、結構進行分析，結合龍田煤業變頻改造的現場，介紹HARSVERT-FVA係列能量回饋型高壓變頻器在雙機拖動礦井提升係統上的應用情況。
關鍵詞：雙機拖動、礦井提升機、高壓變頻器、矢量控製、能量回饋、
一、 引言
zaimeikuangshengchanzhong，kuangjingtishengjiqizhefeichangzhongyaodezuoyong，tashikuangshanshengchandeguanjianshebei。tishengjidiankongzhuangzhidejishuxingneng，jizhijieyingxiangkuangshanshengchandexiaolvjianquan，youdaibiaozhekuangjingtishengjifazhandezhengtishuiping。yinci，yaoqiukuangjingtishengjituodongxitongjuyouanquankekao，yunxinggaoxiaoqiedingweizhunquedenengli。
傳統的礦井提升中，80%左zuo右you是shi用yong交jiao流liu繞rao線xian式shi電dian機ji轉zhuan子zi串chuan電dian阻zu調tiao速su的de方fang式shi，此ci調tiao速su方fang式shi技ji術shu相xiang對dui落luo後hou，無wu效xiao功gong耗hao過guo大da，結jie構gou複fu雜za，且qie運yun行xing效xiao果guo不bu理li想xiang。為wei了le獲huo得de較jiao高gao性xing能neng的de提ti升sheng係xi統tong部bu分fen采cai用yong直zhi流liu傳chuan動dong方fang案an，但dan直zhi流liu電dian機ji結jie構gou複fu雜za，在zai功gong率lv範fan圍wei受shou到dao一yi定ding的de限xian製zhi的de同tong時shi，運yun行xing過guo程cheng中zhong又you給gei用yong戶hu帶dai來lai了le高gao昂ang的de維wei護hu費fei用yong。隨sui著zhe電dian力li電dian子zi與yu電dian機ji控kong製zhi技ji術shu的de發fa展zhan，采cai用yong變bian頻pin調tiao速su的de方fang法fa具ju備bei了le大da轉zhuan矩ju、高精度、寬調速、低維護的特點，從根本上解決了其他調速方式的弊端，是目前礦井提升機電氣傳動的首選方案。
二、用戶簡介
輝縣市龍田煤業有限公司成立於2006年4月，是由深圳市潛龍實業集團有限公司控股的現代化股份製企業，擁有一座年產95萬噸的礦井――程村礦井，主產三號優質無煙煤，服務年限49年，礦井於2008年投產，稅收在新鄉市排名前10位 。如圖1所示
圖1、龍田煤業一角
三、改造背景及方案確定
煤礦主、副井提升機係統在建井時部分設計為兩台相同或不同容量的電動機一台工作、一(yi)台(tai)備(bei)用(yong)的(de)拖(tuo)動(dong)方(fang)式(shi)，即(ji)單(dan)機(ji)拖(tuo)動(dong)方(fang)式(shi)。隨(sui)著(zhe)礦(kuang)井(jing)生(sheng)產(chan)能(neng)力(li)的(de)提(ti)高(gao)，往(wang)往(wang)會(hui)出(chu)現(xian)單(dan)台(tai)電(dian)動(dong)機(ji)工(gong)作(zuo)無(wu)法(fa)滿(man)足(zu)生(sheng)產(chan)需(xu)要(yao)的(de)情(qing)況(kuang)。如(ru)重(zhong)新(xin)購(gou)置(zhi)容(rong)量(liang)較(jiao)大(da)的(de)電(dian)動(dong)機(ji)就(jiu)要(yao)將(jiang)原(yuan)有(you)電(dian)動(dong)機(ji)淘(tao)汰(tai)，造(zao)成(cheng)浪(lang)費(fei)。這(zhe)時(shi)，可(ke)考(kao)慮(lv)在(zai)不(bu)更(geng)換(huan)設(she)備(bei)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，將(jiang)單(dan)機(ji)拖(tuo)動(dong)改(gai)為(wei)雙(shuang)機(ji)同(tong)時(shi)拖(tuo)動(dong)。
龍田煤業主井提升為一台JKM-2.8/4（II）型多繩摩擦式提升機，裝備一對6T多繩箕鬥，單電機最大輸入功率為800KW，已經達到最大單電機設計標準。根據設計院設計標準，礦井最大提升能力為72萬噸/年（一鉤6T、25鉤/時、16小時/天、300天）。由於現在提升任務重，主井提升已嚴重製約了礦井的生產任務。為了改善這種情況提高生產能力，準備對主井進行改造，將6T箕鬥更換為8T箕鬥，單電機拖動改為雙電機拖動，電控係統改造為交-直-交高壓變頻調速提升機係統，改造後生產能力提高到95萬噸/年（一鉤8T、25鉤/時、16小時/天、300天），提(ti)升(sheng)機(ji)達(da)到(dao)最(zui)大(da)的(de)提(ti)升(sheng)能(neng)力(li)，電(dian)控(kong)改(gai)造(zao)後(hou)使(shi)提(ti)升(sheng)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)更(geng)加(jia)平(ping)穩(wen)，便(bian)於(yu)實(shi)現(xian)全(quan)自(zi)動(dong)化(hua)運(yun)行(xing)，有(you)效(xiao)地(di)提(ti)高(gao)了(le)係(xi)統(tong)的(de)安(an)全(quan)性(xing)，降(jiang)低(di)了(le)司(si)機(ji)的(de)勞(lao)動(dong)強(qiang)度(du)，同(tong)時(shi)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)係(xi)統(tong)相(xiang)比(bi)串(chuan)電(dian)阻(zu)調(tiao)速(su)係(xi)統(tong)具(ju)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)節(jie)能(neng)效(xiao)果(guo)。
初步方案設計為采用兩套高壓變頻調速裝置分別對兩台電機進行供電，其中兩高壓變頻裝置采用矢量控製、主從同步，保證兩電機的同步拖動，實現兩台電機輸出同樣轉矩，轉矩、gonglvfenpeijunyun，dadaozhenggetiaosufanweineipinghuawumaidong，disuyunxingpingwendeshuiping。ruqizhongyiludianjihuobianpinqichuxianguzhangshi，tongguowaibuqiehuan，keshixiandandianjiquansubanzaizhengchangyunxing。
四、現場基本工況
基本參數：井塔型多繩摩擦式提升機，提升高度：522m，井塔高度： 43.95m鋼絲繩根數：4根；
提升機參數：型號：JKM-2.8/4（II），導向輪直徑：2.5m，主導輪直徑：2.8m；
減速機參數：型號：ZHD2R-140，減速比：10.5；
電機參數：#1電機 YR800-10，800kW，593rpm，6000V，98A，上海電氣集團上海電機廠有限公司；#2電機 YR560-10，800kW，592rpm，6000V，103A，佳木斯電機股份有限公司；
變頻器參數：型號：HARSVERT-FVA06/120，額定電壓6kV，額定電流120A，額定功率1000kW。現場情況如圖2、圖3所示。
圖2 現場電機與減速機
圖3現場主導輪（摩擦輪）
五、變頻器係統原理及結構介紹
此次變頻改造選用2台型號為HARSVERT-FVA06/120的高壓變頻器。HARSVERT-FVA係(xi)列(lie)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)器(qi)是(shi)北(bei)京(jing)利(li)德(de)華(hua)福(fu)電(dian)氣(qi)技(ji)術(shu)有(you)限(xian)公(gong)司(si)生(sheng)產(chan)的(de)新(xin)一(yi)代(dai)能(neng)量(liang)回(hui)饋(kui)型(xing)矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)係(xi)統(tong)，該(gai)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)無(wu)網(wang)側(ce)電(dian)抗(kang)器(qi)的(de)四(si)象(xiang)限(xian)單(dan)元(yuan)串(chuan)聯(lian)多(duo)電(dian)平(ping)結(jie)構(gou)，通(tong)過(guo)矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)對(dui)電(dian)機(ji)進(jin)行(xing)精(jing)確(que)的(de)控(kong)製(zhi)。
由於受IGBT耐壓限製，6kV高壓變頻調速係統的結構采用功率單元串聯模式，6kV係列有15個功率單元，每5個功率單元串聯構成一相，如圖4所示。我公司高壓變頻係統采用矢量控製，高壓變頻係統是速度和電流雙閉環控製係統，調壓精度高，動態響應快。
HARSVERT-FVA係列能量回饋型矢量控製高壓變頻器由激磁湧流抑製櫃、變壓器櫃、功率櫃和控製櫃組成，各櫃體結構如圖5所示
圖5、高壓變頻係統的構成
下麵根據櫃子從左至右的擺放順序，逐一介紹變頻器各組成部分的結構及作用。
變頻器上電時衝擊電流可達到電機額定電流的6-10倍(bei)，係(xi)統(tong)配(pei)置(zhi)的(de)激(ji)磁(ci)湧(yong)流(liu)抑(yi)製(zhi)櫃(gui)內(nei)設(she)有(you)真(zhen)空(kong)接(jie)觸(chu)器(qi)和(he)限(xian)流(liu)電(dian)阻(zu)，可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)限(xian)製(zhi)變(bian)頻(pin)器(qi)高(gao)壓(ya)上(shang)電(dian)時(shi)的(de)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)和(he)激(ji)磁(ci)湧(yong)流(liu)，保(bao)證(zheng)變(bian)頻(pin)器(qi)高(gao)壓(ya)上(shang)電(dian)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)在(zai)1倍額定電流之內，真正實現對電網的零衝擊。具體功用：
（1）消除上電時對IGBT的衝擊，加強可靠性， 大大增加設備使用壽命；
（2）消除上電時對電網的衝擊，避免電網電壓瞬間跌落，幹擾其他設備的正常運行。
變壓器櫃內裝有整流變壓器，該變壓器采用免維護型幹式變，絕緣等級為H級，最高耐受溫度180℃。變bian壓ya器qi將jiang網wang側ce高gao壓ya變bian換huan為wei副fu邊bian的de多duo組zu低di壓ya，為wei功gong率lv櫃gui中zhong的de功gong率lv單dan元yuan供gong電dian，由you於yu變bian壓ya器qi副fu邊bian繞rao組zu的de獨du立li性xing，使shi每mei個ge功gong率lv單dan元yuan的de主zhu回hui路lu相xiang對dui獨du立li，其qi工gong作zuo電dian壓ya由you各ge個ge低di壓ya繞rao組zu的de輸shu出chu電dian壓ya來lai決jue定ding，工gong作zuo在zai相xiang對dui的de低di壓ya狀zhuang態tai，類lei似si常chang規gui低di壓ya變bian頻pin器qi，便bian於yu采cai用yong現xian有you的de成cheng熟shu技ji術shu。各ge功gong率lv單dan元yuan間jian的de相xiang對dui電dian壓ya，由you變bian壓ya器qi副fu邊bian繞rao組zu的de絕jue緣yuan承cheng擔dan，避bi免mian了le串chuan聯lian均jun壓ya問wen題ti。變bian壓ya器qi設she有you溫wen控kong設she備bei，能neng夠gou實shi時shi監jian控kong其qi內nei部bu溫wen度du，在zai溫wen度du較jiao高gao時shi發fa出chu報bao警jing信xin號hao，在zai溫wen度du過guo高gao時shi發fa出chu跳tiao閘zha信xin號hao。此ci變bian壓ya器qi與yu通tong用yong型xing高gao壓ya變bian頻pin器qi的de變bian壓ya器qi比bi較jiao，有you兩liang點dian不bu同tong，1、因為每個模塊都要向電網回饋能量，所以變壓器每個繞組的阻抗要求比較均勻，造價比較高；2、此變壓器二次繞組無需移相。
功率櫃中裝有功率單元，每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其主電路結構為圖6。功率單元利用IGBT進(jin)行(xing)同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu)，同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu)控(kong)製(zhi)器(qi)實(shi)時(shi)檢(jian)測(ce)單(dan)元(yuan)電(dian)網(wang)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)，利(li)用(yong)鎖(suo)相(xiang)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)得(de)到(dao)電(dian)網(wang)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)相(xiang)位(wei)，控(kong)製(zhi)整(zheng)流(liu)逆(ni)變(bian)開(kai)管(guan)關(guan)所(suo)構(gou)成(cheng)的(de)相(xiang)位(wei)與(yu)電(dian)網(wang)電(dian)壓(ya)的(de)相(xiang)位(wei)差(cha)，便(bian)可(ke)控(kong)製(zhi)電(dian)功(gong)率(lv)在(zai)電(dian)網(wang)與(yu)功(gong)率(lv)單(dan)元(yuan)之(zhi)間(jian)的(de)流(liu)向(xiang)。逆(ni)變(bian)相(xiang)位(wei)超(chao)前(qian)，功(gong)率(lv)單(dan)元(yuan)將(jiang)電(dian)能(neng)回(hui)饋(kui)給(gei)電(dian)網(wang)，反(fan)之(zhi)電(dian)功(gong)率(lv)由(you)電(dian)網(wang)注(zhu)入(ru)功(gong)率(lv)單(dan)元(yuan)。
圖6 功率單元內部基本電路結構
通過前部IGBT進行三相全橋方式整流，整流後的給濾波電容充電，確定母線電壓， 通過對後部的IGBT逆變橋進行正弦PWM控製實現單相逆變。當電機進入發電狀態後，後部IGBT中的二極管完成續流外，又起全波整流，使能量能夠轉移到濾波電容中，結果母線電壓升高，達到一定程度後，啟動前部IGBT，進行SPWM逆變，通過輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過變壓器將能量回饋到電網，產品具備100%定額功率的能量回饋能力。
變頻器的輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到如圖7所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度較長，電機不需要降額使用，可直接用於舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動。
圖7：高壓變頻器輸出線電壓波形
控製係統位於控製櫃中，由主控製器（DSP）、人機界麵（嵌入式工控機）、PLC三大部分構成，三大部分各有分工，又互相通訊、協同工作。人機界麵和主控製器及PLC之間均采用RS485進行數據通訊，通訊協議為Modbus協議。主控製器和PLC之間采用I/O點及模擬信號線建立簡單通訊。
高(gao)性(xing)能(neng)交(jiao)流(liu)傳(chuan)動(dong)係(xi)統(tong)均(jun)需(xu)要(yao)轉(zhuan)速(su)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)，因(yin)此(ci)利(li)德(de)華(hua)福(fu)研(yan)發(fa)了(le)高(gao)性(xing)能(neng)矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)，可(ke)保(bao)證(zheng)很(hen)高(gao)的(de)精(jing)度(du)和(he)很(hen)準(zhun)確(que)的(de)動(dong)態(tai)轉(zhuan)速(su)。整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)高(gao)性(xing)能(neng)DSP微(wei)處(chu)理(li)器(qi)，可(ke)以(yi)自(zi)動(dong)檢(jian)測(ce)到(dao)電(dian)機(ji)的(de)參(can)數(shu)，建(jian)立(li)電(dian)機(ji)的(de)數(shu)學(xue)模(mo)型(xing)，通(tong)過(guo)檢(jian)測(ce)電(dian)機(ji)的(de)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)，對(dui)電(dian)機(ji)的(de)磁(ci)通(tong)和(he)轉(zhuan)矩(ju)進(jin)行(xing)實(shi)時(shi)的(de)解(jie)耦(ou)控(kong)製(zhi)，能(neng)夠(gou)對(dui)電(dian)機(ji)轉(zhuan)矩(ju)進(jin)行(xing)主(zhu)動(dong)的(de)限(xian)製(zhi)，避(bi)免(mian)負(fu)荷(he)波(bo)動(dong)導(dao)致(zhi)的(de)過(guo)電(dian)流(liu)故(gu)障(zhang)。
矢量控製產品的性能指標為：調速範圍100:1，穩態轉速精度0.5%，動態轉矩響應時間小於200ms，啟動轉矩200%額定轉矩，基本達到國際先進水平。采用DSP高性能矢量控製的高壓變頻調速係統可實現電機參數自動整定、係統狀態變量的實時顯示和監控等功能。
六、改造過程及方案調整
bianpinqianzhuangwanchenghou，shouxianjinxinglezhuhuiluxianlugaizao，ranhoujiangbianpinqikongzhixitongjidanjigaoyatiaoshizhengchang，tongbujinxingcaozuotaidegudinganzhuang，lianjiecaozuotaiyubianpinqizhijiandelianxian，tiaoshicaozuotaiyubianpinqidexinhaochuandi，zhengchanghoubabianpinqihecaozuotaijierudaoyuanxitongzhongtongtiao，daizhongzaitiaoshishigaizaozhongdezhongdianbufen。
空載調試時，兩台設備使用帶編碼器的矢量控製、主從同步，發現同步效果不理想，運行中減速機存在撞擊聲，不如VVVF控製方式穩定。隨即果斷嚐試采用VVVF控製方式、自zi然ran同tong步bu，發fa現xian隻zhi在zai啟qi動dong時shi兩liang電dian機ji速su度du稍shao有you不bu同tong，加jia速su過guo程cheng中zhong輸shu出chu電dian流liu有you部bu分fen差cha距ju，到dao高gao速su段duan兩liang電dian機ji輸shu出chu電dian流liu相xiang當dang，整zheng個ge過guo程cheng機ji械xie運yun轉zhuan效xiao果guo良liang好hao。考kao慮lv到dao兩liang台tai電dian機ji廠chang家jia不bu同tong，電dian流liu及ji轉zhuan速su參can數shu也ye有you差cha距ju，觀guan察cha單dan台tai運yun行xing時shi的de發fa現xian兩liang電dian機ji的de電dian流liu變bian化hua規gui律lv也ye不bu同tong，認ren為wei空kong載zai滿man足zu轉zhuan矩ju、功率分配平均原則。
帶載運行後，對於從6.5-10噸不等的負載進行測試，發現負載越重兩電機平衡性越好，與用戶討論後，決定不采用矢量控製、主從同步方式，運行VVVF控製、自然同步方式，該控製方式使兩電機轉矩、功率分配均勻，完全滿足工況要求。
七、改造後的效果
改造後，變頻器成功應用於提升機生產，解決了原串電阻調速係統的各種弊端，優勢如下：
（1）省去了轉子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節能效果；
（2）克服了接觸器、電阻器繞線電機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發生率，提高了係統的可靠性；
（3）啟動柔和，轉矩大，實現了無級平滑調速，加減速快速平穩。啟動和加減速階段基本不存在機械衝擊，極大的延長了設備的使用壽命；
（4）自動化程度高，操作簡單，主令手柄和製動手柄在提升機運行中基本不動，降低司機勞動強度和操作難度，運行平穩無震動，噪音低；
（6）基本無維護工作量，減低了維護人員的工作強度；
（7）係統具有更完善的軟硬件保護環節。
八、總結
該高壓變頻器調速係統已經穩定運行1年。北京利德華福變頻器首次在雙機拖動的提升機上運行，取得圓滿成功，證明了利德華福在高壓傳動領域上的雄厚技術實力。HARSVERT-FVAxilienenglianghuikuixinggaoyabianpinqizailongtianmeiyedechenggongyingyong，dadatigaolezhujingtishengxitongdeanquanxinghekekaoxing，quebaolezhujingtishengjidegaozhiliangyunxing，weiyonghuchuangzaolejudadejingjixiaoyiheshehuixiaoyi。shijianzhengming，liyongjishuxianjin、chengshuanquandegaoyabianpintiaosuxitongkeyiquanmiangaishanxianchanggongkuang，tigaoxitongzidonghuachengdu，jieyuedianneng。shiyonggaoyabianpinqikeyidadajiangdixianchangweihuliang，dailaikeguandexiaoyi，qieshixiangyingguojiajienengjianghaodehaozhao，zhidedalituiguang。
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