能量回馈型高性能高压变频调速系统在矿井提升机上的应用

一、前言

龙煤集团双鸭山分公司集贤煤矿是一家从事煤炭开采多年的老矿，目前年产优质煤炭200万吨。该煤矿的 主井提升机为双筒式矿井提升机，滚筒直径为3.5米，提煤容器为箕斗，提煤工艺如下示意图：

该采煤提升系统为目前中小煤矿普遍采用，采用箕斗作为提升容器，一个箕斗在井底煤仓自动装载后，被提升到地面卸载；另一箕斗由地面下降到井下煤仓处装煤。

箕斗通过机房的双滚筒带动，机房双滚筒采用两台800千瓦电机通过减速机拖动，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，存在以下缺点：

（1）大量的电能消耗在转差电阻上，造成了严重的能源浪费，同时电阻器的安装需要占用很大的空间。

（2）控制系统复杂，导致系统的故障率高，接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏，维护工作量很大，直接影响了生产效率。

（3）低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制，特别是在负载发生变化时，很难实现恒减速控制，导致调速不连续、速度控制性能较差。

（4）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。

（5）自动化程度不高，增加了开采成本，影响了产量。

（6）低电压和低速段的启动力矩小，带负载能力差，无法实现恒转矩提升。

目前，变频器调速系统作为当前最先进的交流电机调速系统，越来越多的应用于各种交流电机拖动场合，作为矿井提升机这种特殊行业、特殊负载，应用的案例还比较少，尤其是针对高压变频调速系统，双鸭山新立矿标新立异，敢于创新，通过多加比对，考察，决定采用北京利德华福电器技术有限公司生产的能量回馈型高性能矢量控制变频器对原系统进行改造。
 

二、能量回馈型高性能高压变频器系统简要介绍

北京利德华福电气技术有限公司生产的能量回馈型高压变频器属于高性能具备矢量控制功能的新一代变频器，广泛应用于矿井提升机、需要快速制动的风机以及大型轧钢机负载上，其基本组成为：激磁涌流抑制柜、变压器柜、功率柜及控制柜。设备原理如上图，现简要说明：

1） 涌流抑制：变压器在受电瞬间，会产生激磁涌流，该数值在正常额定电流的6到8倍左右，在电网容量较小的情况下，可能引起电网急剧负向波动，影响其他设备的正常运行。为了解决该问题，北京利德华福针对该场合运行的变频器加装了激磁涌流抑制柜，其主要组成部分为高压电阻及真空接触器，二者并联。当变频器受高压电瞬间，高压电阻串入变压器输入回路，通过电阻的限流作用降低激磁涌流，减小电网的负向波动。延时两秒钟后，受变频器控制系统控制，并接在高压电阻的真空接触器自动吸合，切除高压电阻，变频器投入正常运行。

2） 变压器：该变压器为移相变压器。移相变压器给每个功率模块供电，移相变压器的副边绕组分为三组，根据电压等级和模块串联级数，一般由24、30、42、48脉冲系列等构成多级相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形（网侧电压电流谐波指标满足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其负载下的网侧功率因数接近1。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，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。

3） 功率模块：功率模块是变频器中重要的组成部分，变频器输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长度，可直接用于普通电机。同时，电机的谐波损耗大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。对于能量回馈变频器的功率模块，其结构更为复杂，功率单元的输入部分不再是整流二极管，而是可控的开关器件（IGBT），并在每个功率模块中加装电流检测装置，通过对输入部分IGBT的控制，实现电流的双向流动，从而实现变频器的四象限运行功能。当某一个功率模块出现故障时，通过控制使输出端子短路，可将此单元旁路退出系统，变频器可降额机械运行；由此可避免很多场合下停机造成的损失。

需要说明的是，上述所有功能的实现，均由变频器的大脑——主控系统来实现，北京利德华福变频器的主控系统大体由高速单片机处理器、人机界面、PLC组成。单片机处理器利用公司具有自主知识产权的先进矢量控制技术，通过光纤通讯的方式对每个功率单元进行PWM控制。人机操作界面解决高压变频调速系统本身和用户现场接口的问题，提供友好的全中文监控界面，使用方便、快捷，同时可以实现远程监控和网络化控制。内置PLC则用于柜体内开关信号的逻辑处理，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊需要。