变频调速系统在矿山提升机中的应用

杨 涛

0 引言

变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流的电动机调速目的的技术。从大范围来分，电动机有直流电动机和交流电动机。由于直流电动机调速容易实现，性能好，因此，过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流电动机固有的缺点是，由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来不少的麻烦。因此人们希望，让简单可靠廉价的笼式交流电动机也能像直流电动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速和串级调速方式:由此出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机。但其调速性能都无法和直流电动机相比。直到20世纪80年代，由于电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，才出现了变频调速技术。它的出现就以其优异的性能逐步取代其他交流电动机调速方式，乃至直流电动机调速系统，而成为电气传动的中枢。

交—直—交变频调速系统已在泵类、风机类负载上得到广泛应用，并且正在大面积推广。但大多数矿用提升机还在沿用传统的线绕式异步电动机，用转子串电阻的方法调速。这种系统属于有级调速，低速转矩小，转差功率大，启动电流和换挡电流冲击大，中高速运行振动大，制动不安全不可靠，对再生能量处理不力，斜井提升机运行中调速不连续，容易掉道，故障率高。矿用生产是24 h连续作业，即使短时间的停机维修也会给生产带来很大损失。矿用提升机的技术改造要求迫在眉睫。但是，不可能把风机、水泵用的变频器直接应用到提升机上，因为提升类负载对变频器有着不少特殊的要求:1)起动和制动性能好——快速、平稳和准确的起动和制动。2)全速范围内都有很好的恒转矩性能。3)重物下降时(除空载或轻载外)，都依靠自重下降。为了克服重力加速度的不断加速，电动机必须产生足够的制动转矩，使重物在所需的转速下平稳下降。4)停车距离不得超过吊钩1 min上升或下降距离的5%，且重物在空中停顿的前后不得有“溜钩”现象。

1 使用变频调速系统的优点

1)故障率低，控制灵活。原系统速度和上下方向的变化是由许多接触器、继电器系统控制才能实现:其控制复杂，故障率高，维修也很麻烦。采用变频调速后:控制灵活，系统也大大简化了;检测保护性能好、可靠性提高，还可以节约很大一部分电能，节电率都在30%以上。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。2)调速质量提高原三速电机系统只有三个变化不均匀的速度，对机械和电源有很大的冲击。变频器可以用电位器灵活的控制速度，且是无级调速，调速比可达 1∶50。精确度可达1%。3)起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作、降低了工人的劳动强度。运行速度曲线呈S形，使加减速平滑、无撞击感。4)安全保护功能齐全，除一般的过压、欠压、过载、短路、温升等保护外，还设有连锁保护、自动限速保护功能等。5)设有直流制动、能耗制动及回馈制动等多种制动方式，使安全性更加可靠。6)该系统四象限运行，回馈能量直接回电网，且不受回馈能量大小的限制，适应范围广，节能效果更加明显。7)同时变频改造后绞车运行的稳定性和安全性都大大增加，因此大大减少了运行故障和维修时间。8)延长了电磁抱闸系统的寿命。

2 矿用提升机变频调速系统的工作原理

变频器是通过改变电机定子供电频率来改变电机的转速，以实现绞车的调速。交流异步电动机的转速公式为:

其中，n为电极转速;f1为定子供电频率;p为极对数;s为转差率。

调节了三相交流电的频率，也就调节了电机转速。只要平滑地调节三相交流电的频率，就能实现异步电动机的无级调速，就能使三相异步电动机的调速性能赶超直流电动机。

如图1所示为交—直—交电压型变频调速系统原理图。

该系统的运行过程主要分为两个过程:1)绞车电机作为电动机的过程，即正常的逆变过程。该过程主要由整流、滤波和正常逆变三大部分组成，如图1所示。其中正常逆变过程是其核心部分，它改变电机定子的供电频率，从而改变输出电压，起到调速作用。2)绞车电机作为发电机的过程，即能量回馈过程。该过程主要由整流、回馈逆变和输出滤波三部分组成，如图1所示。其中该部分的整流是由正常逆变部分中 IGBT的续流二极管完成。二极管D1和D2为隔离二极管，其主要作用是隔离正常逆变部分和回馈逆变部分。电解电容E2的主要作用是为回馈逆变部分提供一个稳定的电压源，保证逆变部分运行更可靠。回馈逆变部分是整个回馈过程的核心部分，该部分实现回馈逆变输出电压相位与电网电压相位的一致。因为回馈逆变输出的是调制波，为保证逆变的正常工作以及减少对电网的污染，增加了一个输出滤波部分，使该系统的可靠性更加稳定。

鉴于矿区电压的波动性可能比较大的事实，由于变频器的回馈条件是要和电网电压有一个固定电压差值，假若某时刻电网电压比较高，再加上回馈时的固定。

电压差值，此时变频器的母线电压就会达到一个比较高的电压值，如果再有重车下滑，则母线电压会更高，此时的高电压就有可能威胁到变频器的大功率器件的安全，为此，该系统又加了一个刹车部分(如图1所示)，以保证变频器的安全。

3 变频器改造后的经济效益分析

1)变频器在低速段运行时节能显著，由于提升机在井口及井底时都处于低速运行，根据现场情况，一般设置升速点及减速点分别在70 m～100 m，因此其低速运行段大约在140 m～200 m，根据坡长的不同，其低速段约占30%，其综合节电率约占20%。2)采用变频控制后，由于设置直流制动，在运行时油闸全敞开，减轻了原工频控制下的磨损，油闸只是作为一种辅助设施，在电机停稳后或在急停时快速抱闸，根据测算，该项损耗大大降低，每年也可节省2万元～3万元。3)原工频控制采用交流接触器进行速度段切换，用调速电阻调速，而变频控制则将其全部甩掉，不但节省了投资，也增加了可靠性，原用接触器及调速电阻，每2个～5个月即可更换一次，维修费用大，且耽误生产。4)采用回馈制动，其再生能量回收利用，这也节约了一部分电能。

综上所述，其综合经济效益是十分明显的。