李阳煤业副立井提升机三电平变频控制技术应用

戴文琦

(晋能控股集团 和顺李阳煤业有限公司，山西 和顺 032700)

矿井提升机作为矿山最复杂的电力传动装备之一,其工作可靠性、运行效率、调速性能是矿山高效生产的关键因素,电机节能，特别是大型电机系统节能是降低国家能源消耗的重要手段。随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，大功率变频调速技术不断成熟，采用变频调速系统将使不经济的工况运行转变为最佳的工况运行，控制精确、简洁，节能十分可观，同时也提高了系统的可靠性。目前交交变频技术在国内外已不再推广，基于二极管箝位式三电平拓扑结构的交直交变频系统已成为大功率交流电机控制的主要系统。

1 二极管箝位式三电平拓扑结构及优点

三电平逆变器的拓扑结构有二极管箝位式、电容箝位式和级联型三种拓扑结构。李阳煤业副立井提升变频系统采用二极管箝位式多电平拓扑结构。它能有效地提高换流系统的耐压、降低输出电压谐波和开关损耗。二极管箝位型三电平逆变器的三相拓扑结构如图1所示。

图1 二极管箝位型三电平逆变器的三相拓扑结构图

每相桥臂共有4个开关管，上桥臂和下桥臂各由2个开关管串联构成，每个开关管都反并联1个二极管。直流侧两个电容串联分割了直流母线电压。三电平逆变电路输出电压数比两电平逆变电路多，所以它的输出电压谐波含量减少了。由于三电平逆变电路的每个开关管关断时，所承受的电压为直流侧电压的一半，所以三电平逆变电路适用于高压大容量的场合。

三电平变频器的等效开关频率为同等容量的两电平变频器开关频率的2倍，在开关频率一定的情况下，三电平变频器所含高次谐波的频率更高，因此使得系统滤波器设计更加容易，同时体积也减小一半，系统中红滤波器所产生的损耗也随之降低。另外三电平变频器在交流端输出的线电压具有5个电平等级，比两电平的输出线电压波形更接近正弦波波形，质量更好[1]。在三电平变频系统正常运行过程中，每一相桥臂的4个功率器件在半个工频周期内必然存在常开或者常闭的情况，由于在半个周期内保持常开或者常闭，因此这些器件将只存在通态损耗而没有开关损耗。在系统母线电压相同的情况下，三电平变频器每只功率器件的开关应力也仅有两电平的一半。

2 二极管箝位式三电平变频调速系统

2.1 三电平变频调速电控系统结构

李阳煤业副立井作为运人与运料的提升立井，安装有1台JKMD4×4P型摩擦落地式提升机。该立井提升机采用1 200 kW/1 140 V大功率同步双线组电动机驱动，提升机电控系统采用中矿传动出品的ASCS-8三电平变频调速电控系统。

李阳煤业副立井提升三电平变频调速电控系统结构如图2所示。

图2 李阳煤业副立井提升系统三电平变频调速电控系统图

ASCS-8三电平变频调速电控系统基于数字化、自动化等先进技术，采用“交流同步电机+三电平变频调速+多PLC冗余控制+上位机监控”全数字电控系统的控制模式，系统由高压电源、低压电源、定子电路(2台定子整流变压器、2台变频器)、励磁电路(励磁整流变压器、励磁整流柜)、切换柜、全数字调节柜、 PLC控制柜、控制台、上位机、编码器与井筒开关等组成。

ASCS-8型大功率同步电机三电平变频调速系统能完成速度闭环、电流闭环、矢量控制等功能，实现电机的转矩控制和速度调节。主要用于控制交流同步电机拖动的提升机，在井筒中按工艺要求启动、加速、等速、减速、爬行及停止运行。

2.2 三电平拓扑结构的实现及创新点

本系统采用二极管箝位式三电平PWM整流器，为主电路拓扑，电网电压定向，直接电流控制。采用了新颖的优化三电平SVPWM算法，在简化运算量的同时很好地进行了中点电位控制，提高网侧单位功率因数的同时电流波形呈正弦，并成功实现了PWM整流器的四象限运行。采用背靠背双三电平结构可按照“电网—变频器—电机”一体化方式进行协调控制，在实现高性能矢量控制的同时，对于网侧谐波含量、网侧功率因数等关键指标均有良好控制效果。

系统创新点：

1) 电控装置的静、动态性能指标满足提升机四象限运行的要求，并预留满足工艺要求的过载能力和安全富裕系数。

2) 调节、监视、控制等电路均采用电气模块插件，能方便地更换备件，具有良好的维护性和可拓展能力。井筒和井下设备均选用防爆型，具有MA标志及防水性能。

3) 速度测量、安全回路等关键电路采用冗余结构设计。安全回路具有PLC控制回路及继电器直动回路冗余控制，提高系统的安全可靠性。

4) 电控系统应具有紧急开车功能，在电控系统发生故障时，在确保安全的前提下，可实现提升机低速运行。

5) 提升系统工作及故障状态除配置大屏幕彩色显示器外，还在显示台上设有光字牌显示。

3 应用情况

3.1 三电平变频调速系统控制效果及其运行曲线

本节将给出三电平调速系统相应的运行曲线和参数波形，并对其控制效果做出分析。

图3为系统运行全过程的网侧电流波形，在整个提升周期内，系统的网侧电流的正弦度良好，加减速阶段变化平滑，系统对电网注入的谐波电流低。

图3 系统运行全过程网侧电流波形图

当系统进入匀速运行以后，对网侧电流进行谐波分析(见图4)，三相电流的总畸变率分别5.0%、4.8%、5.3%，基本满足国家电能质量谐波标准的要求。

3.2 三电平变频调速系统应用效果

李阳煤业副立井提升机采用双三电平二极管箝位变频控制技术，主要用于控制交流同步电机拖动的提升机在井筒中按工艺要求启动、加速、等速、减速、爬行及停止运行，取得了良好的使用效果。

图4 系统网侧谐波分析

1) 控制同步电机直接驱动提升机运行，节省了减速机的成本和维护费用。

2) 使用双绕组电机，通过绕组切换可在1台变频器故障的情况下实现全载半速运行，提高了提升机的运行稳定可靠性。

3) 电控系统整体控制技术先进，故障率低，电控系统具有的自诊断和故障查询功能，可帮助检修人员在故障情况下快速判断故障点并及时处理故障。

4) 提升系统具有多种运行方式，自动化程度高，减轻了操作人员的操作负担。减少了因操作人员操作失误导致的故障。

5) 整个系统谐波分量小，具有功率因数调节功能，减少了对电网的谐波危害，提高了系统的功率因数，节约电能。

综上所述，李阳煤业副立井作提升机ASCS-8电交流提升机全数字变频电控系统基于二极管嵌位式三电平变频控制技术，采用 “交流同步电机+三电平变频调速+多PLC冗余控制+上位机监控”全数字电控系统。其动态性能满足提升机四象限运行要求，具有控制技术先进、保护功能齐全、对电网的谐波危害小等优点，达到了减轻工人劳动强度、节约成本与电能、故障率低，运行稳定可靠的目的，满足了李阳煤业副立井提矸，运送人员、材料、设备出入井的生产要求，产生了良好的经济效益和安全效益，达到了国内领先水平。