单元串联多电平高压变频器在煤矿提升机中的应用

张雪山

摘 要： 本论文阐述了大功率矿井提升机的一种新型高压变频调速系统，主回路拓扑结构采用单元串联多电平高压变频技术，同时与可编程控制器进行对接，实现矿井提升机电控系统的四象限控制，可满足设计要求。

关键词： 单元串联;多电平;高压变频器;提升机;应用

【中图分类号】TM921.51     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）21-0162-02

提升机是煤矿大型固定设备之一，其运行的安全性将影响矿井的整体经济效益。榆树岭煤矿能力为120万吨/年，副斜井坡度为25°，采用JK-3.5×2.5型单绳缠绕式提升机，滚筒直径3.5m，滚筒宽度2.5m，配套电机功率为800kW。由于电机功率较大，电气调速方式的选型对副井提升系统安全性起着至关重要的作用。目前，大功率电机调速方式分为直流斩波调速和交流变频调速两种方式。直流电动机由于结构复杂，日常维护量较大，减少提升机运行时间，近几年大功率电机已很少选择。交流变频调速系统具有较高的调速性能和节能效果，目前在多个领域中应用广泛，是目前市场上应用较多的交流调速方式，逐渐成为电气传动的发展方向。近年来，高压大功率变频调速技术成为了相关行业的研究热点，用低压功率器件实现高压变频成为主流趋势，能够为国家节约大量能源。本论文对比了不同高压大功率变频调速方式的优缺点，阐述了单元串联多电平四象限高压变频器控制系统的结构、功能，并进行经济技术分析，确定采用北京合康生产的单元串联多电平四象限高压变频器。

1 提升机工艺控制系统分析

榆树岭煤矿副斜井提升机控制系统操作台采用双PLC控制模式，其中一套为主控PLC系统，另一套为监控PLC系统，两套PLC系统彼此独立运行，可以通过DP/DP Coupler来实现通信，两个子系统实现冗余控制监视，具有较强的可靠性，在操作台内部设置远程分站，可用于控制信号的采集和操作台声光指示控制操作。另外，配以光电编码器、霍尔传感器作为数据采集单元，将模拟电压通過PLC模拟量模块输出到变频器作为核心的控制调速元件，构成主要电气设备驱动回路。工艺控制系统，传动系统在数据过程交换时，可以通过主控PLC和传统系统的通信模块总线来完成通信，通过采用这种模式可确保传统系统功能工艺控制系统在通信过程中的可靠性，可编程控制系统的硬件组态，控制系统结构如下图所示。

从该技术特点上来看，其最大优势为精确进行行程控制，全方位提升机运行保护以及系统的双监控模式，具体来看该工艺控制系统使用两个增量编码器，测量矿车在井筒中的位置，在电动机滚筒，深度指示器上分别安装一个编码器，脉冲信号可以分别传输给监控PLC计算模板和主控程序中，两个子系统彼此独立运行，可计算提升机运行速度。CPU通过共享获取结果，能够对结果进行监视，确保形成速度计算过程中的准确度，同时该工艺控制系统能够对电动机进行过压、过流保护，此外还能够对盘型制动器的闸瓦间隙进行在线监测，因此能够全面完成提升机运行速度的监视，一旦存在异常将会发出紧急停车信号，在对行程和矿车的速度监视中，主要涉及一以下几点：过卷保护、深度指示器失效保护、速度保护、等速段超速保护、错向保护。

2 高压电动机变频传动系统

10kV变频器根据高压拓扑结构不同，可将高压变频器分为直接高压型变频器及高低高型变压器这两种类型;根据中间是否有直流分为交-交变频器和交-直-交变频器，在交-直-交变换器中结合中间直流滤波分为电流源型和电压源型逆变器;根据功率器件耐压程度不同，高压变频在使用过程中可通过高低高方式形成即降压变压器输入高压将其降为低压，低压变频技术应用比较成熟，可实现变频功能，经过升压变压器将其转为高压进行输出，但高低高型变频器前后两级变压器系统效率较低，且中间直流电流较大，可靠性相对较低。在交直交变频控制系统，也可以采用多个低压IGBT进行串联分压，用这种方式可以采用低压变频拓扑结构控制策略，在使用过程中检修方便而且效率较高，但由于每个低压IGBT特性不同导致开关时间不一致，因此该拓扑结构存在静态和动态这两种均压问题。本论文中采用的高压变频系统是由移相变压器、低压功率单元、主控系统、I/O接口系统、人机接口单元组成，每一相主回路使用多个功率单元串联作为高压电机的其中一相驱动，该结构输出谐波含量较低，能够使矩形波、电动机噪声降低，该结构不存在IGBT动、静态均压问题，相比直接串联型高压变频器来说使用器件要多，每个功率单元单元通过三相二极管整流桥，能够将交流整流变为直流，再通过IGBT单向全桥逆变器，输出单相交流电，通过串联形成新型拓扑结构，进而为电动机提供SPWM脉宽调制电源，每个低压功率单元结构如图所示。

变频传动系统的控制。在功率单元输入部位采用不可控二极管整流控制方式，通过滤波获得较为稳定的直流电压，使用恒u/f及SPWM控制方式进而对逆变桥IGBT的开通、关断进行控制。为减少对电动机的危害程度，需要降低变频器的输出电流、电压值，而目前这种控制方式包括载波移相PWM控制、多载波PWM控制、三电平逆变器载波PWM控制，对于高压变频系统来说通过使用载波移相PWM能够对调制波完成等比例分配，使用双极性调制进行变频传动系统控制，载波周期为Tc，对变频器同一输出相上4个功率单元PWM信号，是由各自三角载波信号和调制波信号比较形成的，在时间差上相差1/4个周期，每个功率单元串联多电平使用双桥控制模式，能够对IGBT进行控制，形成单极性输出电压，随功率变化载波周期和延迟时间也会产生变化。

3 提升机运行系统分析

该变频调速系统自投入使用之后具有良好的运行效果和可靠性，并且能够提升系统的安全性能，提高了提升系统的运行效率，显著节约30%电耗，具有良好的经济效益。同时系统对电网谐波污染程度较小，输出的电压、电流谐波含量相对较少，可实现正弦波输出。该控制系统形成控制形成s型的曲线，能够显著提升控制精度，减小提升机启动和停车时对减速器齿轮的冲击。

4 小结

在本研究中通过使用串联多电平高压变频器在矿井提升机中的应用进行分析，阐述了该系统的可靠性运行，可满足设计需求。

参考文献

[1] 竺伟，陈伯时，周鹤良，et al.单元串联式多电平高压变频器的起源、现状和展望[J].电气传动，2006（06）：6-10.

[2] 伍小杰，宋炜，左东升，et al.基于H桥单元串联式多电平高压变频器在矿井提升机中的应用[J].工矿自动化，2009（03）：64-68.