大型立井提升及低速变频拖动技术的应用

王锦鹏 赵鲲

摘 要：结合立井提升机拖动要求，本文设计了一种低速同步电动机变频调速系统，以实现矿山大功率电机调速控制。

关键词：提升机；变频拖动；双三电平；数字调节

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.162

1 简介

立井提升机是矿山企业的咽喉设备，现代大容量立井提升机多采用低速大转矩电动机直联拖动方式，存在功率因数低，传动效率低、谐波含量高易对电网产生谐波污染等缺陷，现逐步被交流拖动所取代。本项目的主要是通过中矿传动研究成果，将低速同步电动机变频调速系统国产化并推广应用，达到降低投资，提高设备安全可靠性和提高运行效率之目的。

2 详细技术内容

中矿传动生产的ASCS-8大功率变频调速系统能够实现对交流同步变频电机的控制，采用变频器为双三电平，可以实现数字DSP调节，完成PLC网络控制，并利用局域网实现信息连接，实现上位机诊断与监控。配合其他矿用设备，可实现矿山大功率电机调速控制。

从拓扑结构来看，其主功率回路如图所示，采用了可控的前端脉宽调制（PWM）整流器，能对相控整流和不控整流缺点进行消除，能实现AC/DC变换性能控制，并完成网侧单位功率因数和正弦电流控制，促使能量双向流动。将功率调至单位功率因数，系统谐波含量可以得到有效减少，减少网络中的电流纹波和电压畸变，减少了无功及谐波带来的附加损耗，运行效率得以提高，实现了“绿色”电能的变换。FLUKE435电能质量分析仪测量的功率、电能以及网侧电流谐波含量，实际达到1.48MW，功率因数0.98，谐波含量不超4.2%，符合相关规定。同时PWM整流器的直流母线电压可控，可实现前端整流器和后级逆变器解耦控制，同时后端的稳定性也得以提高，能在四象限运行的电气传动场合得到较好应用。

全数字变频矢量控制器采用32位数字信号处理器，可进行速度和电流的闭环控制，并进行单位功率因数、变频矢量控制。

采用高性能矢量控制算法，实现高性能调速，能够实现网侧谐波等系统关键指标调控，降低开关频率、进线电抗，减少电网污染，实现“绿色变频”。

根据位置给定值，可确定速度给定值。结合轴编码器反馈得到的实际位置，可对速度给定值进行实时调整，使提升机完设计曲线运行。结合反馈得到的位置值，可确定停车时间。系统采用全数字控制方式，可添加加速度导数实现速度拐角绝对的平滑变化（速度给定曲线为S型），减少设备冲击和磨损，实现速度的精确检测和闭环控制。而速度为0，施工作闸停车，不再靠磨闸瓦停车。系统采用高性能的传动装置，可对转矩的静态精度和动态响应进行确定。通过力矩预置，能避免提升机启动时下坠，保证设备零速满载时“悬停”，减小设备受到的冲击和磨损.

3 創新之处

采用TMS320F2812 DSP高端控制器；采用矢量控制，系统具有快速的动态性能，能满足各种转矩需求，且调速平滑无转矩脉动，在重物下方时可对钢丝绳泄力做到有偿控制；采用的拓扑结构可实现3阶输出，减小电流总谐波畸变率，噪声小，拥有较好的动静态性能；系统开关频率低，同时损耗较小，效率较高；利用AFE变流器，可实现主动四象限运行，最大限度减小谐波含量；在线电机参数辨识和自适应控制，使控制系统具有很高的鲁棒性，使用不受场合和环境的影响；无速度传感器技术的应用，解决了由于速度传感器安装不当或精度不够影响系统性能的问题；无感叠层母线的应用，使主回路结构紧凑，提高了可靠性；谐波含量小；重载悬停功能和重载钢丝绳自动补偿功能实现是采用非线性悬停控制器，可应用于有速度传感器或无速度传感器矢量控制或直接转矩控制系统中。

4 与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

（1）同步机变频系统较之直流转矩响应更好，利用IGBT进行晶闸管的替代，控制周期3.3ms，频率1kHz。

（2）在低速时，直流系统受电流纹波（3.3ms）影响；而变频系统可零速全负载悬停。

（3）变频系统换向火花无过载能力限制，较之直流系统性能更优。

（4）同步电动机采用双绕组时，与直流电动机电控系统一样，都可以实现半速全载运行，大大提高了系统运行可靠性。

（5）同步机电控系统具有明显的节电效果，与老系统相比，节电6776度，节电19.4%，考虑变压器损耗和线路损耗，实际系统节电超过20%；与直流电控系统比较同样运行72小时，可节电9%。

（6）重载悬停功能和重载钢丝绳自动补偿功能是其它拖动技术所不具备的。

5 推广应用情况

集团公司羊场湾煤矿、任家庄煤矿、红柳煤矿副立井提升机控制设计采用低速同步电动机变频调速系统，计划2017年安装使用。

6 社会效益和间接经济效益

神华宁煤集团公司金能煤业分公司、金家渠煤矿采用该系统，可配合其他矿用设备实现副立井提升机拖动调速控制。

（1）系统保护齐全，故障率低，能自动平滑的加减速，降低操作难度，避免超速、过卷等故障的发生，杜绝人为失误带来的安全隐患。

（2）提高设备舒适性。全程自动化控制，变频调速连续平滑，人员乘坐十分舒适，机械冲击小。

（3）无谐波污染，不干扰其它设备。同步电动机采用交直交变频，功率器件为全控型器件，功率因数0.98以上，轻载时可实现无功补偿。采用PWM抑制谐波，满足国内外标准，无需治理装置。

（4）全自动加减速，节省了每勾提升时间，提高了产量。具有明显的节电效果，可节电超过25%，特殊工况下节电更多，比如重物下放时可以把大量电能回馈电网。

（5）中矿传动国产提升机控制系统与西门子公司的提升机控制系统相比其成本约为进口产品（西门子）的3/4。