高压变频器在煤矿主井提升机中的应用研究

陈电星,肖　凯

（1.兖州煤业股份有限公司东滩煤矿；2.山东华聚能源股份有限公司,山东　邹城　273500）

高压变频器在煤矿主井提升机中的应用研究

陈电星1,肖凯2

（1.兖州煤业股份有限公司东滩煤矿；2.山东华聚能源股份有限公司,山东邹城273500）

摘要：本文重点阐述了高压变频器在煤矿主井提升机中的应用，主要包括变频系统的介绍，变频改造煤矿主井提升机，高压变频器的工作原理，以及应用效果分析。

关键词：高压变频器；煤矿；提升机；应用

0　引言

煤矿生产的一个重要设施是煤矿提升机，矿井提升机是矿井生产的咽喉，对矿井的生产及安全起着至关重要的作用。提煤是煤矿提升机的重要功能，在有的时候还要求提升工作者。煤矿提升机要求十分高的电气传动性，这是由于电气传动性的孬好直接关乎煤矿的生产效率，在有些情况下还会阻碍煤矿的顺利生产，煤矿提升机的电气系统需要是能够准确地定位与制动、动态响应速度快、四象限工作、调速精度高、调速特性硬，稳定性高等。传统的大多数矿井提升机普遍使用交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统，这种调速方式技术落后，且运行效果较差，转子串电阻调速产生大量的能耗；占地面积大，控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，启动电流大，运行不平稳，噪声大，严重污染矿井周围的环境。随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的进一步发展，单象限高压变频调速技术已经基本成熟。最新研制的提升机高压大功率四象限变频调速装置，使得提升机在整个运行过程中实现无极变频调速，扩大了交流提升机应用范围，提高了电控装备水平。

1　变频系统

1.1功率单元

变频部分借助当今普遍应用的功率单元串联H桥型多电平，变频功率单元的设计是模块化，有着相同的电气与结构性能，能够进行互换。它是交—直—交三相整流/单相逆变电路的基本拓扑。重点涵盖放电板、显示板、IGBT驱动板，主控制板（涵盖通讯电路、故障检测电路、控制电路）。二极管三相全波整流的整流侧，脉动的直流由电容器滤成可靠的直流电源。实施正弦PWM调控IGBT逆变桥，能够输出正弦单相交流。制动IGBT借助制动电阻释放直流侧太高的能量。过压抑制器是为了避免刹那改变的电压对功率器件构成损害，有效地保护逆变电路。IGBT功率器件借助高效的热管散热技术进行散热，这使得功率器件的稳定性和安全性大大地提高。此外，所有的变频功率单元都可以将自身故障情况、工作状态、中间直流电压值等显示出来。在功率单元出现故障之后能够迅速地自行保护且将信号发给控制柜而停机。

1.2控制系统

PLC、工控PC机、高速单片机一起组成了控制柜。单片机的功能是网络控制、迅速保护、PWM波生产控制、闭环或者是开环控制等，工控PC提供好的中文WINDONWS操作以及监控界面，并且能够进行网络控制与远程监控，且锁存变频单元放电过程中的故障。内置PLC是来逻辑处理开关量信号，联锁故障与运行，能够跟用户场地接口，实现用户的要求。变频功率单元和控制柜间借助光纤传导技术，能够完全稳定地隔离高压部分与低压部分，系统的安全性非常高，并且有着非常高的抗电磁干扰性，大大地提高了其稳定性。

2　变频改造煤矿主井提升机

2.1老系统备用

借助PLC电控系统与高压变频设备来改造固有的老系统，该变频系统属于提升机专用的矢量控制四象限H桥串联多电平的高压变频调速设施。由于当前的老系统还能够应用，因此不需要拆除，以此当作备用的系统。

2.2手动切换工频

手动工频旁路由系统配置。在变频系统出现故障或者是要求维护的时候，切换柜可以进行工频旁路，旁路后改变成为原先的转子串电阻调速系统。并且也改造电控工艺系统成为稳定性较高的PLC电控系统，这样，PLC电控系统能够切换控制老系统。

3　高压变频器的工作原理

由功率柜与主控柜一起构成了RHVC的高压变频调速系统，作为一种技术要求比较高的节能型产品，实施当今比较发达的SPWM脉宽调制技术、数字控制技术，IGBT功率单元串联多电平技术。有着稳定性高、功率因数高和节能效果好的特点。三相Y接输出的功率柜，实施每相5个功率单元输出SPWM波相叠加的逆变器输出，从而使得质量比较高的正弦波输出。借助光纤隔离技术的功率柜与主控柜间，避免了电磁的干扰，完全地隔离了低压和高压，有着非常高的安全性。

4　应用效果分析

4.1直接效益

（1）高压变频器的应用，使得电能的损耗大大地减少。

（2）在应用变频系统后，节省了每个提升循环所应用的时间，这样就能够比固有的系统提升一些循环，在充足产能的基础上，每一天都能够大大地提高产能，以及系统还具备比较大的提速空间。

（3）新系统的应用，倘若发生了故障，能够迅速地投入应用模块化的备用设施，以及使得换功率单元的时间也缩短，最终使得维修导致的停机时间减少，并且也大大地降低了故障率。

4.2间接效益

（1）在工频以下，高压变频调速设施借助无级调速不间断地改变电源的频率，能够软启动电机，这使得启动冲击电流对减速器、电轴承和电机本身的冲击都大大地减少，以及使得系统的使用年限延长，从而也使劳动者的劳动强度降低。

（2）无谐波特点的高压变频调速设施使电机运行的过程中对电网导致的污染明显地减少，在进行测试之后，大大地提高了主井提升机的功率因数，跟固有的系统进行比较，有了显著的提高，这有利于电网环境的改善。

（3）装置的故障率大大地减少，故障停机时间大大地缩短。以高压变频器代替固有的系统，有效地解决了缺少原系统备件的问题，新型的装置模块化的设计更加便于维修，倘若发生模块故障，能够在比较短的时间之内进行更换。

（4）引入单元串联多电平高压变频调速技术，可以实现系统无级调速，及多速度等级平稳运行。

（5）采用转子带速度反馈的矢量控制技术。在转子磁场定位坐标下电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变，控制转矩电流也就控制电机转矩。

（6）功率单元利用IGBT进行同步整流，同步整流控制器实时检测单元电网输入电压，利用锁相控制技术得到电网输入电压相位，控制整流逆变开关管所构成的相位与电网电压的相位差，便可控制电功率在电网与功率单元之间的流向。

5　对提升机高压变频器的技术要求

矿山提升机是煤炭企业生产的关键设备，要求高压变频器具有极高的可靠性。特别是对于副井提升，一方面用于提升人员，另一方面负载变化大。提升机对变频器要求有以下主要特点：

（1）要求技术先进，可靠性高，适应恶劣的使用环境。

（2）要求能实现四象限运行，解决能量回馈，电气减速或重物下放时变频器将再生电能送向电网。

（3）启动力矩、低频力矩、加速力矩、制动力矩有严格要求。启动转矩2倍以上，150%额定电流以下连续运行，200%额定电流一分钟保护。要求有完善的数字控制功能。

（4）调速性能平滑，范围宽，精度高，恒转矩低速爬行时需求速度平稳，并满足多速度等级长期运行。

6　结语

综上所述,矿山提升机高压变频调速系统具有控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小、能量反馈显著等诸多优点,随着高压变频调速技术的日益成熟与国家节能减排的必然趋势,它正成为矿山提升机传动的发展方向。而且改进和完善煤矿主井提升系统属于一项综合性的配套工程，而其中的主体工程就是高压变频调速器，在顺利地运行此项后，煤矿节能增产的目标得以实现，并且实现了好的社会效益与企业效益，它受到了煤矿企业的青睐。为此，高压变频调速器的发展前景非常看好。

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