三电平变频控制系统在钱家营矿暗立井提升机的应用

周柱

摘 要：由于生产条件的变化，钱家营矿由原瓦斯矿井变为了突出矿井，需要对钱家营矿现有设备进行防爆性能改造。本着安全、可靠、先进的原则，钱家营矿同中国矿业大学、徐州中矿大传动与自动化有限公司进行协作，对暗立井提升机防爆变频电控系统进行了升级改造。

关键词：防爆变频；调速控制；可编程控制器

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.16.094

钱家营矿是开滦集团下属的大型骨干生产矿井，年生产能力600万吨。其-600水平的暗立井提升机担负着-850新采掘水平的人料提升任务，是-850水平生产的“咽喉”通道，保证其安全稳定运行是至关重要的。2011年，-850水平发现有瓦斯和煤层突出现象，考虑到矿井生产“安全第一”的原则，钱家营矿与徐州中矿大传动与自动化有限公司合作，设计、生产并投入使用了国内首部基于三电平变频的防爆变频电控装置的MW级矿用提升机。

1 三电平变流器的拓扑结构

电压型变流器种类很多，三电平变流器属于其中一种，它的电路是多电平变流器中在使用中比较实用的一种。我们通常在三电平高大功率变频器的使用中，较多的采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）把两电平SVPWM的方法进行推广，就能得到三电平，甚至多电平SVPWM。这个方法的控制对象是电动机内部高速旋转的磁通矢量，主磁通是通过不同扇区的矢量来进行合成，很容易实现。图1中变流器的每相桥臂有四个功率开关管SX1，SX2，SX3，SX4，两个钳位二极管DX1，DX2，和四个续流二极管DX3，DX4，DX5，DX6（x=a，b，c），钳位二极管的用处是在开关管进行导通时，供出电流通道同时预防电容发生短路。

Sa1管和上钳位二极管Da1共用一个IGBT模块和驱动，Sa2和Sa3共用一个IGBT模块和驱动，Sa4和下钳位二极管Da2共用一个IGBT模块和驱动。采用InfineonPrimePack封装的三电平IGBT模块主要包括FF650R17IE4FF1000R17IE4以及FF1400R17IP4。这些模块内部都包含了两个IGBT模块，如图2所示。

由母排杂散电感，IGBT在关断瞬态会产生过电压。Concept驱动板2SP0320为了限制IGBT关断过压，Concept驱动板2SP0320设有源钳位功能，采用多个瞬时过电压抑制管TVS（Dz）串联，TVS的串联等效电压一般为1320左右。也就是说，对1700V的IGBT模块，关断过压一般限制在1320V左右。

2 系统概述

MW级矿用提升机防爆三电平变频控制系统采用“防爆交流异步电机+双三电平防爆交直交变频+全数字调节控制+多PLC网络隔爆控制+隔爆上位机诊断与监控”的控制模式，电压等级为：1140kV，功率为：1000kW，和其他矿山设备匹配进行使用，实现大功率电力拖动系统调速控制的要求，从而完成四象限运行，满足煤矿井下对大功率防爆变频器的需求。

3 系统组成

该系统电控设备结构有：隔爆型整流变压器、辅助变压器、隔爆低压柜和高压柜、隔爆PLC控制柜、隔爆液压站、本质安全型操作工作台、隔爆型润滑站和闸监控系统等组成，具体设备组成如图3所示。

4 系统的功能介绍

（1）根据防爆技术对煤矿井下电磁兼容性、散热系统、功率无感母排的要求，研制出一套适合煤矿特殊环境使用的MW级大功率三电平防爆变频器，可以实现井下生产现场对大功率防爆变频器的需要。

（2）du/dt对电动机的绝缘性和功率器件的影响很大，在现场使用双三电平结构后，发现影响很小。从而成功的降低了电磁干扰，提高了电网的服务质量，切实实现了系统的节能。而且在功率系统结构化设计中，背靠背拓扑使用非常方便，提高了系统的可靠性。

（3）在系统的控制方面，我们把电机和功率变换装置作为一个模块，利用矢量控制算法，在保证调速达到高性能的要求下，对网侧谐波、网侧功率因数等关键参数进行了调控，使系统在开关频率较低和进线电抗较小的情况下进行运行，实现电网无污染和真正的“绿色变频”。

（4）系统的提升速度可以按照设计的提升速度图来自动实现，安全性能大大的得到了保障，减少了提升机的操作复杂性；若需要减速的时候，可以实现自动减速，此时提升机司机在控制提升机速度的时候不再用施闸手段，不会再有超速或者过卷的事故出现。

（5）提升系统安全保护、位置控制、全过程控制等功能可以利用可编程控制器进行自动实现，满足了全自动功能提升机的要求。

（6）各种模拟量输入、输出的信号可以采用可编程控制器进行直接完成，使用起来更加精确、快捷和方便，大大提高了系统的稳定性和灵敏度。

（7）电动机的起动电流的控制可以通过电压和频率的连续可调来实现，不会再发生转矩冲击，减速器和钢丝绳等设备的机械故障发生率大大减少了。

（8）上位机可以实时监控系统各个部位的运行情况，而且可以记录下各故障信息，例如记录下总的提升勾数，每勾的提升时间、各个时期的提升量。

5 应用效果

该系统从2013年2月开始使用，从试运行到现在一直使用状态比较稳定。在前期的构建过程中，系统各个组成部分的硬件和软件都进行了模块化和结构化构建，切均具有自身的诊断功能，故障诊断能力强，各参数性能均达到预期目标。该系统的成功实施，减小了员工的劳动强度，减小了维修、维护量，提高了生产效率；提高了系统的安全可靠性；实现了大功率交流防爆异步电机的高效率、低损耗、高功率因数和低谐波运行；开创了国内自主研发大功率交直交三电平防爆变频控制系统的先河，具有示范作用和很高的社会效益。

参考文献

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