四象限高压变频器在煤矿副井提升机中的应用

郭永库+++王殿东+++王超越

摘 要：在煤矿中，提升机是生产运行的主要设备。文章中提升机异步电机连接方式为转子与电阻串联，采用四象限矢量控制再生制动型的高压变频器调速。此种方法为大功率提升机调速带来了科技进步。在实际生产试验中，副井安装四象限高压变频后运行效果良好，真正解决了重载下放问题，同时使减速和重载下放产生的电能及时回馈电网，节电效果显著。

关键词：四象限高压变频器；提升机；矢量控制；再生制动

1 概述

目前，在煤矿生产中，副井提升机的主要作用是提升人员与物料。提升绞车普遍采用绕线式异步电动机，并采取转子编码串电阻的方法调速，该系统为有级调速。但是其相对低速转矩小，转差率大，且启动电流和换挡电流冲击非常大，同时载物重量多变，使得副井提升系统在速度控制上较为困难；在电阻上消耗了很大能量，且停车位置不准。这种系统不仅能源消耗巨大，并且无法实现精度控制，给煤矿安全生产带来了很大隐患。

本文中副井提升系统由四象限高压变频器控制系统组成，主要结构由变频单元柜、高压开关柜、电抗器柜、控制柜、移相变压器组成[1]。四象限高压变频器可四象限运行，采用矢量控制技术，分离电机转矩电流与励磁电流并独立控制，采用速度闭环与电流闭环控制，使得转矩控制动态响应迅速，从而获得良好的调速性能。该控制系统节电效果良好，可使重载下放时不用加配重，避免过卷（过放）事故，并提高了电网容量资源利用率，同时其采用的电力电容寿命长，性能好，耐电压冲击，进一步提高了煤矿生产的安全性[2]。考虑到四象限高压变频器运行稳定，动态响应迅速，制动和定位准确等优点；经反复调试试验，完成了副井提升机四象限高压变频电控系统的设计[3]。并在铁法能源公司小青矿的生产中得到了实际应用，结果表明该副井提升控制系统动态响应速度快，可控性高，制动和定位准确，调速精度高，大大提高了安全可靠性。在煤矿安全生产中具有重要的实际意义。

2 四象限高压变频器工作原理

图1 功率单元主回路原理图

图1为四象限功率单元主回路原理。变频器的逆变与整流侧功率器件采用IGBT，选取先进的H桥串联高压变频理论。当变频器工作在一、三象限时，电机为电动状态，从电网吸收能量；而在二、四象限时，电机为发电状态，产生的电能通过逆变侧传输到直流母线，达到设定电压时即可完成直-交变换，并通过控制逆变侧电压相位与幅值回馈给电网优质的电能。

高压变频器拓扑结构如图2所示，四象限高压变频器功率单元采用交-直-交变频技术，变频器控制采用目前应用成熟的PWM脉宽调试方式，使系统具有较高的动态响应能力与较低的开关损耗。根据煤矿生产特点，变频系统电压为6kv，采取三相18个功率单元结构，将每相额定电压为580V的6个功率单元相互串联；这样从电网传输的三相6kV交流电可经由隔离移相变压器二次绕组至单个功率单元。各功率单元串联成三相Y型连接，供给电动机6kV电压。

2.1 变频器输出侧

变频器输出侧由每个变频功率单元的两个交流输出端子依次串联，分别形成U、V、W相，再接成Y型，给高压电动机直接供电。

实际控制中，可通过本相上的6个功率单元输出SPWM波相互叠加得到正弦波，并且即使在低速下输出也能保持良好的波形，避免了由输出谐波电流引起的电机发热和转矩脉动及电机振动等一系列问题。

实测高压变频器输出电压、电流波形：

图3 高压变频器输出电压 图4 高压变频器输出电流

2.2 变频器输入侧

输入侧是将6KV高压经过高压开关柜加到移相隔离变压器的原边，再由移相隔离变压器的副边分为多组并通过移相之后分给每个变频功率单元独立供电。这种结构使整流输出波形由几十个脉冲波序列构成多级移相叠加，可使电网侧的电流波形显著提高，功率因数达到到0.95以上。

实测高压变频器输入电压、电流波形：

图5 高压变频器输入电压 图6 高压变频器输入电流

3 四象限变频器整机现场重物下放测试

副井提升机绞车电机有关参数：电动机型号：YR118/44-10 ；电动机容量：2×630KW；定子电流：2×76.3A ；定子电压：6000V；转子电压：895V；转子电流：438A；转速：592转/分。

试验过程：2012年10月5日由小青矿机电科、运转队、荣信电力电子股份有限公司技术人员和天津深蓝电控设备技术有限公司技术人员共同做载重试验。 副井使用高压变频载重试验结果如下表1。

经过装载重量的变化及提升速度的变化试验，每次负力下放，变频设备运行均平稳可靠，到减速点后均能按要求减速至0.5m/s以下，司机可平稳带闸停车。此时变频设备可满足绞车负力下放的正常操作，可避免因误操作或负力下放所产生的事故，提高了绞车运行的安全性。

4 结束语

本文主要对煤矿副井控制系统引入四象限高压变频器进行设计研究，并通过小青煤矿的现场运行应用验证了该方法的实际价值。应用四象限高压变频器后，副井系统重载平稳，运行稳定，操作维护简易，提高了煤矿安全效益；副井由正负力混合提升，变频器采用再生制动，使提升机变频器在减速或下放重物时自动转入向电网馈电状态，节省大量电能，每年节约电能约40万度。提高了经济效益，具有广阔的实际应用价值。

参考文献

[1]李方圆.变频器控制技术[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]马修峰.变频技术在煤矿主通风机设计中的方案优化[J].煤矿机电，2010，4.

[3]朱秀斌.基于变频器调速和 PLC 的风机控制系统的研究[J].煤炭技术，2012，30（12）：69-71.endprint

摘 要：在煤矿中，提升机是生产运行的主要设备。文章中提升机异步电机连接方式为转子与电阻串联，采用四象限矢量控制再生制动型的高压变频器调速。此种方法为大功率提升机调速带来了科技进步。在实际生产试验中，副井安装四象限高压变频后运行效果良好，真正解决了重载下放问题，同时使减速和重载下放产生的电能及时回馈电网，节电效果显著。

关键词：四象限高压变频器；提升机；矢量控制；再生制动

1 概述

目前，在煤矿生产中，副井提升机的主要作用是提升人员与物料。提升绞车普遍采用绕线式异步电动机，并采取转子编码串电阻的方法调速，该系统为有级调速。但是其相对低速转矩小，转差率大，且启动电流和换挡电流冲击非常大，同时载物重量多变，使得副井提升系统在速度控制上较为困难；在电阻上消耗了很大能量，且停车位置不准。这种系统不仅能源消耗巨大，并且无法实现精度控制，给煤矿安全生产带来了很大隐患。

本文中副井提升系统由四象限高压变频器控制系统组成，主要结构由变频单元柜、高压开关柜、电抗器柜、控制柜、移相变压器组成[1]。四象限高压变频器可四象限运行，采用矢量控制技术，分离电机转矩电流与励磁电流并独立控制，采用速度闭环与电流闭环控制，使得转矩控制动态响应迅速，从而获得良好的调速性能。该控制系统节电效果良好，可使重载下放时不用加配重，避免过卷（过放）事故，并提高了电网容量资源利用率，同时其采用的电力电容寿命长，性能好，耐电压冲击，进一步提高了煤矿生产的安全性[2]。考虑到四象限高压变频器运行稳定，动态响应迅速，制动和定位准确等优点；经反复调试试验，完成了副井提升机四象限高压变频电控系统的设计[3]。并在铁法能源公司小青矿的生产中得到了实际应用，结果表明该副井提升控制系统动态响应速度快，可控性高，制动和定位准确，调速精度高，大大提高了安全可靠性。在煤矿安全生产中具有重要的实际意义。

2 四象限高压变频器工作原理

图1 功率单元主回路原理图

图1为四象限功率单元主回路原理。变频器的逆变与整流侧功率器件采用IGBT，选取先进的H桥串联高压变频理论。当变频器工作在一、三象限时，电机为电动状态，从电网吸收能量；而在二、四象限时，电机为发电状态，产生的电能通过逆变侧传输到直流母线，达到设定电压时即可完成直-交变换，并通过控制逆变侧电压相位与幅值回馈给电网优质的电能。

高压变频器拓扑结构如图2所示，四象限高压变频器功率单元采用交-直-交变频技术，变频器控制采用目前应用成熟的PWM脉宽调试方式，使系统具有较高的动态响应能力与较低的开关损耗。根据煤矿生产特点，变频系统电压为6kv，采取三相18个功率单元结构，将每相额定电压为580V的6个功率单元相互串联；这样从电网传输的三相6kV交流电可经由隔离移相变压器二次绕组至单个功率单元。各功率单元串联成三相Y型连接，供给电动机6kV电压。

2.1 变频器输出侧

变频器输出侧由每个变频功率单元的两个交流输出端子依次串联，分别形成U、V、W相，再接成Y型，给高压电动机直接供电。

实际控制中，可通过本相上的6个功率单元输出SPWM波相互叠加得到正弦波，并且即使在低速下输出也能保持良好的波形，避免了由输出谐波电流引起的电机发热和转矩脉动及电机振动等一系列问题。

实测高压变频器输出电压、电流波形：

图3 高压变频器输出电压 图4 高压变频器输出电流

2.2 变频器输入侧

输入侧是将6KV高压经过高压开关柜加到移相隔离变压器的原边，再由移相隔离变压器的副边分为多组并通过移相之后分给每个变频功率单元独立供电。这种结构使整流输出波形由几十个脉冲波序列构成多级移相叠加，可使电网侧的电流波形显著提高，功率因数达到到0.95以上。

实测高压变频器输入电压、电流波形：

图5 高压变频器输入电压 图6 高压变频器输入电流

3 四象限变频器整机现场重物下放测试

副井提升机绞车电机有关参数：电动机型号：YR118/44-10 ；电动机容量：2×630KW；定子电流：2×76.3A ；定子电压：6000V；转子电压：895V；转子电流：438A；转速：592转/分。

试验过程：2012年10月5日由小青矿机电科、运转队、荣信电力电子股份有限公司技术人员和天津深蓝电控设备技术有限公司技术人员共同做载重试验。 副井使用高压变频载重试验结果如下表1。

经过装载重量的变化及提升速度的变化试验，每次负力下放，变频设备运行均平稳可靠，到减速点后均能按要求减速至0.5m/s以下，司机可平稳带闸停车。此时变频设备可满足绞车负力下放的正常操作，可避免因误操作或负力下放所产生的事故，提高了绞车运行的安全性。

4 结束语

本文主要对煤矿副井控制系统引入四象限高压变频器进行设计研究，并通过小青煤矿的现场运行应用验证了该方法的实际价值。应用四象限高压变频器后，副井系统重载平稳，运行稳定，操作维护简易，提高了煤矿安全效益；副井由正负力混合提升，变频器采用再生制动，使提升机变频器在减速或下放重物时自动转入向电网馈电状态，节省大量电能，每年节约电能约40万度。提高了经济效益，具有广阔的实际应用价值。

参考文献

[1]李方圆.变频器控制技术[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]马修峰.变频技术在煤矿主通风机设计中的方案优化[J].煤矿机电，2010，4.

[3]朱秀斌.基于变频器调速和 PLC 的风机控制系统的研究[J].煤炭技术，2012，30（12）：69-71.endprint

摘 要：在煤矿中，提升机是生产运行的主要设备。文章中提升机异步电机连接方式为转子与电阻串联，采用四象限矢量控制再生制动型的高压变频器调速。此种方法为大功率提升机调速带来了科技进步。在实际生产试验中，副井安装四象限高压变频后运行效果良好，真正解决了重载下放问题，同时使减速和重载下放产生的电能及时回馈电网，节电效果显著。

关键词：四象限高压变频器；提升机；矢量控制；再生制动

1 概述

目前，在煤矿生产中，副井提升机的主要作用是提升人员与物料。提升绞车普遍采用绕线式异步电动机，并采取转子编码串电阻的方法调速，该系统为有级调速。但是其相对低速转矩小，转差率大，且启动电流和换挡电流冲击非常大，同时载物重量多变，使得副井提升系统在速度控制上较为困难；在电阻上消耗了很大能量，且停车位置不准。这种系统不仅能源消耗巨大，并且无法实现精度控制，给煤矿安全生产带来了很大隐患。

本文中副井提升系统由四象限高压变频器控制系统组成，主要结构由变频单元柜、高压开关柜、电抗器柜、控制柜、移相变压器组成[1]。四象限高压变频器可四象限运行，采用矢量控制技术，分离电机转矩电流与励磁电流并独立控制，采用速度闭环与电流闭环控制，使得转矩控制动态响应迅速，从而获得良好的调速性能。该控制系统节电效果良好，可使重载下放时不用加配重，避免过卷（过放）事故，并提高了电网容量资源利用率，同时其采用的电力电容寿命长，性能好，耐电压冲击，进一步提高了煤矿生产的安全性[2]。考虑到四象限高压变频器运行稳定，动态响应迅速，制动和定位准确等优点；经反复调试试验，完成了副井提升机四象限高压变频电控系统的设计[3]。并在铁法能源公司小青矿的生产中得到了实际应用，结果表明该副井提升控制系统动态响应速度快，可控性高，制动和定位准确，调速精度高，大大提高了安全可靠性。在煤矿安全生产中具有重要的实际意义。

2 四象限高压变频器工作原理

图1 功率单元主回路原理图

图1为四象限功率单元主回路原理。变频器的逆变与整流侧功率器件采用IGBT，选取先进的H桥串联高压变频理论。当变频器工作在一、三象限时，电机为电动状态，从电网吸收能量；而在二、四象限时，电机为发电状态，产生的电能通过逆变侧传输到直流母线，达到设定电压时即可完成直-交变换，并通过控制逆变侧电压相位与幅值回馈给电网优质的电能。

高压变频器拓扑结构如图2所示，四象限高压变频器功率单元采用交-直-交变频技术，变频器控制采用目前应用成熟的PWM脉宽调试方式，使系统具有较高的动态响应能力与较低的开关损耗。根据煤矿生产特点，变频系统电压为6kv，采取三相18个功率单元结构，将每相额定电压为580V的6个功率单元相互串联；这样从电网传输的三相6kV交流电可经由隔离移相变压器二次绕组至单个功率单元。各功率单元串联成三相Y型连接，供给电动机6kV电压。

2.1 变频器输出侧

变频器输出侧由每个变频功率单元的两个交流输出端子依次串联，分别形成U、V、W相，再接成Y型，给高压电动机直接供电。

实际控制中，可通过本相上的6个功率单元输出SPWM波相互叠加得到正弦波，并且即使在低速下输出也能保持良好的波形，避免了由输出谐波电流引起的电机发热和转矩脉动及电机振动等一系列问题。

实测高压变频器输出电压、电流波形：

图3 高压变频器输出电压 图4 高压变频器输出电流

2.2 变频器输入侧

输入侧是将6KV高压经过高压开关柜加到移相隔离变压器的原边，再由移相隔离变压器的副边分为多组并通过移相之后分给每个变频功率单元独立供电。这种结构使整流输出波形由几十个脉冲波序列构成多级移相叠加，可使电网侧的电流波形显著提高，功率因数达到到0.95以上。

实测高压变频器输入电压、电流波形：

图5 高压变频器输入电压 图6 高压变频器输入电流

3 四象限变频器整机现场重物下放测试

副井提升机绞车电机有关参数：电动机型号：YR118/44-10 ；电动机容量：2×630KW；定子电流：2×76.3A ；定子电压：6000V；转子电压：895V；转子电流：438A；转速：592转/分。

试验过程：2012年10月5日由小青矿机电科、运转队、荣信电力电子股份有限公司技术人员和天津深蓝电控设备技术有限公司技术人员共同做载重试验。 副井使用高压变频载重试验结果如下表1。

经过装载重量的变化及提升速度的变化试验，每次负力下放，变频设备运行均平稳可靠，到减速点后均能按要求减速至0.5m/s以下，司机可平稳带闸停车。此时变频设备可满足绞车负力下放的正常操作，可避免因误操作或负力下放所产生的事故，提高了绞车运行的安全性。

4 结束语

本文主要对煤矿副井控制系统引入四象限高压变频器进行设计研究，并通过小青煤矿的现场运行应用验证了该方法的实际价值。应用四象限高压变频器后，副井系统重载平稳，运行稳定，操作维护简易，提高了煤矿安全效益；副井由正负力混合提升，变频器采用再生制动，使提升机变频器在减速或下放重物时自动转入向电网馈电状态，节省大量电能，每年节约电能约40万度。提高了经济效益，具有广阔的实际应用价值。

参考文献

[1]李方圆.变频器控制技术[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]马修峰.变频技术在煤矿主通风机设计中的方案优化[J].煤矿机电，2010，4.

[3]朱秀斌.基于变频器调速和 PLC 的风机控制系统的研究[J].煤炭技术，2012，30（12）：69-71.endprint