高壓變頻器在越南礦井提升機上的應用
摘要：變頻改造是礦井提升領域提高工藝水平和節能的主要手段。本文對高壓變頻調速系統的原理、結構進行分析，結合越南光興煤業有限公司提升機變頻改造的現場，介紹HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在礦井提升系統上的應用情況。
關鍵詞：礦井提升機、高壓變頻器、矢量控制、能量回饋
摘要：變頻改造是礦井提升領域提高工藝水平和節能的主要手段。本文對高壓變頻調速系統的原理、結構進行分析，結合越南光興煤業有限公司提升機變頻改造的現場，介紹HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在礦井提升系統上的應用情況。
關鍵詞：礦井提升機、高壓變頻器、矢量控制、能量回饋
一、引言
在礦井的各動力設備中，提升機系統是最為重要、耗能最大的設備。提升機運行的可靠性直接影響礦井的產能，直接關系到礦井的安全生產水平。
長期以來，礦用提升機普遍使用繞線式異步電機轉子串電阻的方法進行調速控制，該方法雖然成本較低，但轉矩脈動大，電機電流大，能耗高，且控制電路復雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，直接影響到企業產能和安全生產水平。隨著電力電子與電機控制技術的發展，采用變頻調速的方法可以從根本上解決上述問題。
在礦井的各動力設備中，提升機系統是最為重要、耗能最大的設備。提升機運行的可靠性直接影響礦井的產能，直接關系到礦井的安全生產水平。
長期以來，礦用提升機普遍使用繞線式異步電機轉子串電阻的方法進行調速控制，該方法雖然成本較低，但轉矩脈動大，電機電流大，能耗高，且控制電路復雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，直接影響到企業產能和安全生產水平。隨著電力電子與電機控制技術的發展，采用變頻調速的方法可以從根本上解決上述問題。
二、企業介紹
圖1、越南光興煤礦辦公樓
越南光興煤礦為越南工業部下屬企業，位于越南錦普市，距離越南著名景點下龍灣僅有20公里，該煤礦在當地有多個礦井，此次改造涉及的是其中一個礦的副井，為23度斜角的斜井，礦井設計生產能力：90萬噸/年。
三、設備改造情況
1、改造前的情況
煤礦沒有改造前，電機的調速方式采用傳統的串電阻調速方式，該調速方式屬于落后技術，存在以下問題：
（1）提升機頻繁啟動和制動，在加減速過程中轉子所串電阻產生相當嚴重的能耗，且串電阻調速系統存在著占地面積大、發熱量高、噪聲大等缺點；
（2）串電阻調速系統控制線路復雜，工作穩定性和可靠性差，缺乏故障診斷功能，排查故障困難；
（3）啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低；
（4）轉子串電阻調速系統的調速屬有級調速，調速范圍受限，調速精度低，爬行速度不易控制，尤其是重物下放時，需要動力制動與轉子串電阻及制動閘配合操作，司機不易控制，安全性能差；
（5）加減速過程轉矩脈動大、小車平穩性較差、纜繩擺幅較大，人員升降舒適性差；
（6）電機滑環接觸不良，易引起設備故障，維護工作量及費用高。
為解決上述問題，實現企業效益最大化，礦方經過考察多個用戶現場提升機變頻器使用情形后，決定選用北京利德華福電氣技術有限公司生產的四象限能量回饋型高壓變頻調速系統，對副井提升機系統進行技術改造。這種采用電控臺和高壓變頻器相結合的控制方案，提高了整個電控系統安全可靠性、控制精度及調速性能，為用戶提高生產效率的同時，又達到了節能減耗的目的。
（1）提升機頻繁啟動和制動，在加減速過程中轉子所串電阻產生相當嚴重的能耗，且串電阻調速系統存在著占地面積大、發熱量高、噪聲大等缺點；
（2）串電阻調速系統控制線路復雜，工作穩定性和可靠性差，缺乏故障診斷功能，排查故障困難；
（3）啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低；
（4）轉子串電阻調速系統的調速屬有級調速，調速范圍受限，調速精度低，爬行速度不易控制，尤其是重物下放時，需要動力制動與轉子串電阻及制動閘配合操作，司機不易控制，安全性能差；
（5）加減速過程轉矩脈動大、小車平穩性較差、纜繩擺幅較大，人員升降舒適性差；
（6）電機滑環接觸不良，易引起設備故障，維護工作量及費用高。
為解決上述問題，實現企業效益最大化，礦方經過考察多個用戶現場提升機變頻器使用情形后，決定選用北京利德華福電氣技術有限公司生產的四象限能量回饋型高壓變頻調速系統，對副井提升機系統進行技術改造。這種采用電控臺和高壓變頻器相結合的控制方案，提高了整個電控系統安全可靠性、控制精度及調速性能，為用戶提高生產效率的同時，又達到了節能減耗的目的。
2、改造中的變頻器情況
此次變頻改造選用1臺HARSVERT-FVA06/035高壓變頻器，額定電壓6kV，額定電流35A，額定功率280kW，額定容量350kVA。
HARSVERT-FVA系列高壓變頻器是北京利德華福電氣技術有限公司生產的新一代能量回饋型矢量控制高壓變頻調速系統，該系統采用無網側電抗器的四象限單元串聯多電平結構，通過無速度傳感器矢量控制算法對電機進行精確的控制。
HARSVERT-FVA系列能量回饋型矢量控制高壓變頻器采用單元串聯多電平的拓撲結構，由旁路柜、激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜和控制柜組成，外觀如圖2所示，各柜體結構如圖3所示，主回路拓撲如圖4所示 。
圖2、高壓變頻器現場安裝情況
此次變頻改造選用1臺HARSVERT-FVA06/035高壓變頻器，額定電壓6kV，額定電流35A，額定功率280kW，額定容量350kVA。
HARSVERT-FVA系列高壓變頻器是北京利德華福電氣技術有限公司生產的新一代能量回饋型矢量控制高壓變頻調速系統，該系統采用無網側電抗器的四象限單元串聯多電平結構，通過無速度傳感器矢量控制算法對電機進行精確的控制。
HARSVERT-FVA系列能量回饋型矢量控制高壓變頻器采用單元串聯多電平的拓撲結構，由旁路柜、激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜和控制柜組成，外觀如圖2所示，各柜體結構如圖3所示，主回路拓撲如圖4所示 。
圖2、高壓變頻器現場安裝情況
圖3、高壓變頻系統的構成
圖4、高壓變頻系統主回路拓撲結構
旁路柜的設置主要是為了在變頻器檢修時能夠與高壓母線形成明顯的斷開點，保證人身及設備安全。
變頻器上電時沖擊電流可達到額定電流的6-10倍，系統配置的激磁涌流抑制柜內設有真空接觸器和限流電阻，可以有效限制變頻器高壓上電時的充電電流和激磁涌流，保證變頻器高壓上電電流限制在1倍額定電流之內，真正實現對電網的零沖擊。具體功用：
（1）消除上電時對IGBT的沖擊，加強可靠性，大大增加設備使用壽命。
（2）消除上電時對電網的沖擊，避免電網電壓瞬間跌落，干擾其他設備的正常運行。
變壓器柜內裝有整流移相變壓器，該變壓器采用免維護型干式變，絕緣等級為H級，最高耐受溫度180℃。變壓器將網側高壓變換為副邊的多組低壓，為功率柜中的功率單元供電，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，其工作電壓由各個低壓繞組的輸出電壓來決定，工作在相對的低壓狀態，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。各功率單元間的相對電壓，由變壓器副邊繞組的絕緣承擔，避免了串聯均壓問題。變壓器設有溫控設備，能夠實時監控其內部溫度，在溫度較高時發出報警信號，在溫度過高時發出跳閘信號。
功率柜中的功率單元是整個變頻系統的心臟，能量回饋功率單元采用有源前端（AFE）、直流環節（DC-
圖5：模塊內部拓撲結構
變壓器柜內裝有整流移相變壓器，該變壓器采用免維護型干式變，絕緣等級為H級，最高耐受溫度180℃。變壓器將網側高壓變換為副邊的多組低壓，為功率柜中的功率單元供電，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，其工作電壓由各個低壓繞組的輸出電壓來決定，工作在相對的低壓狀態，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。各功率單元間的相對電壓，由變壓器副邊繞組的絕緣承擔，避免了串聯均壓問題。變壓器設有溫控設備，能夠實時監控其內部溫度，在溫度較高時發出報警信號，在溫度過高時發出跳閘信號。
功率柜中的功率單元是整個變頻系統的心臟，能量回饋功率單元采用有源前端（AFE）、直流環節（DC-
圖5：模塊內部拓撲結構
變頻器主控系統通過光纖統一控制各功率單元的輸出側IGBT，使變頻器整機輸出疊加后的多電平PWM電壓波形，如圖6所示。該電壓具有很高的正弦度，諧波含量很低。
|
圖6：高壓變頻器輸出線電壓波形
|
控制系統位于控制柜中，由主控制器（DSP）、人機界面（嵌入式工控機）、PLC三大部分構成，三大部分各有分工，又互相通訊、協同工作。人機界面和主控制器及PLC之間均采用RS485進行數據通訊，通訊協議為Modbus協議。主控制器和PLC之間采用I/O點及模擬信號線建立簡單通訊。
高性能交流傳動系統均需要轉速閉環控制，因此利德華福研發了高性能矢量控制技術，可保證很高的精度和很準確的動態轉速。整個系統采用高性能DSP微處理器，可以自動檢測到電機的參數，建立電機的數學模型，通過檢測電機的電壓和電流，對電機的磁通和轉矩進行實時的解耦控制，能夠對電機轉矩進行主動的限制，避免負荷波動導致的過電流故障。
矢量控制產品的性能指標為：調速范圍100:1，穩態轉速精度0.5%，動態轉矩響應時間小于200ms，啟動轉矩200%額定轉矩，基本達到國際先進水平。采用DSP高性能矢量控制的高壓變頻調速系統可實現電機參數自動整定、系統狀態變量的實時顯示和監控等功能。
高壓變頻調速系統的原理及拓撲結構如圖7所示。
圖7：變頻器原理及系統拓撲結構
圖7：變頻器原理及系統拓撲結構
3、改造中的變頻器與電控系統的配合
高壓變頻器是整個改造系統的一個核心部分，它具有與電控系統相適配的各種接口。配合自動控制的操作臺運行時，電控臺向變頻器發出“正轉運行”、“反轉運行”和“變頻急停”三路開關量信號，以及一路4～20mA“給定轉速”信號。變頻器向電控臺發出“變頻器待機”和“變頻器故障”兩路開關量信號，以及用于顯示的模擬量輸出信號。電控臺控制高壓斷路器分、合閘，變頻器輸出的“合閘允許”與“緊急分斷”分別連入相應的控制回路中。絞車上安裝的軸編碼器向電控臺發出電機轉速及絞車位置信號。電控臺接受絞車司機的操作指令。如圖8所示。
圖8、變頻器與現場接口
變頻器執行電控系統的指令，完成啟動、停止及其加減速的動作。當制動手柄與主令手柄推離零位后，經過可編程控制器的運算發出模擬量（電流源）信號作為高壓變頻器的模擬輸入給定，同時發出“正轉運行”或“反轉運行”指令，高壓變頻器接收到電控臺發出的指令，按照根據絞車速度曲線圖設定好的加速時間進行升速。隨著高壓變頻器輸出頻率由最低升至最高后，提升機進入高速段。當提升容器運行至減速點時，電控臺通過輸入給定控制變頻器，變頻器依據設定好的減速時間逐漸由最高頻率向設定的爬行速度對應的頻率降速，提升機從高速階段進入減速段運行。當前速度降至爬行速度時，提升機進入到低速段運行，并保持該速度。提升容器運行到卸載位置時，電控臺進行抱閘操作，同時發出“變頻器急停”指令，至此完成一次提升過程。
整個提升機系統中設有深度指示失效、限速、過卷、反轉、制動油過壓、閘瓦磨損、松繩、速度監視、制動油超溫、潤滑油超壓欠壓、變頻器的輕重故障等保護功能。系統能根據故障性質作出響應，必要時實施緊急制動或二級制動，確保設備及人員的安全。
整個提升機系統中設有深度指示失效、限速、過卷、反轉、制動油過壓、閘瓦磨損、松繩、速度監視、制動油超溫、潤滑油超壓欠壓、變頻器的輕重故障等保護功能。系統能根據故障性質作出響應，必要時實施緊急制動或二級制動，確保設備及人員的安全。
4、改造的過程
先把變頻器安裝到位，進行主回路線路改造，然后將變頻器控制系統及單機高壓調試正常，接著進行操作臺的固定安裝，連接操作臺與變頻器之間的連線，調試操作臺與變頻器的信號傳遞，正常后把變頻器和操作臺接入到原系統中統調。帶重載調試是改造中的重點部分。整個改造工程流程圖如下：
先把變頻器安裝到位，進行主回路線路改造，然后將變頻器控制系統及單機高壓調試正常，接著進行操作臺的固定安裝，連接操作臺與變頻器之間的連線，調試操作臺與變頻器的信號傳遞，正常后把變頻器和操作臺接入到原系統中統調。帶重載調試是改造中的重點部分。整個改造工程流程圖如下：
（1） 高壓變頻器的安裝；
（2） 提升系統主回路的改造；
（3） 高壓變頻器控制電調試；
（4） 高壓變頻器單體高壓調試；
（5） 操作臺本體的安裝及調試；
（6） 高壓變頻器與操作臺之間的連接及信號調試；
（7） 高壓變頻器及操作臺與原提升系統的信號連接；
（8） 提升系統初步統調；
（9） 變頻提升系統重負載細調；
（10） 變頻提升系統正常運行。
5、改造后的效果
改造后，變頻器成功應用于絞車生產，解決了原串電阻調速系統的各種弊端，優勢如下：
（1）省去了轉子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節能效果；
（2）克服了接觸器、電阻器繞線電機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發生率，提高了系統的可靠性；
（3）實現了軟啟動、軟停車，減少了機械沖擊，使運行更加平穩可靠；
（4）實現了無級平滑調速，可在靜態或動態任意調整電動機轉速，運行平穩，無轉差沖擊；
（5）提升機加減速過程的平穩控制，運行過程纜繩擺幅明顯減小，人員升降舒適性明顯提高；
（6）基本無維護工作量，操作簡單，減低了維護人員和操作人員的工作強度；
（7）系統具有更完善的軟硬件保護環節。
改造后，變頻器成功應用于絞車生產，解決了原串電阻調速系統的各種弊端，優勢如下：
（1）省去了轉子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節能效果；
（2）克服了接觸器、電阻器繞線電機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發生率，提高了系統的可靠性；
（3）實現了軟啟動、軟停車，減少了機械沖擊，使運行更加平穩可靠；
（4）實現了無級平滑調速，可在靜態或動態任意調整電動機轉速，運行平穩，無轉差沖擊；
（5）提升機加減速過程的平穩控制，運行過程纜繩擺幅明顯減小，人員升降舒適性明顯提高；
（6）基本無維護工作量，操作簡單，減低了維護人員和操作人員的工作強度；
（7）系統具有更完善的軟硬件保護環節。
四、 總結
HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在越南光興煤礦提升機系統的成功應用，不但為用戶創造了巨大的經濟效益和社會效益，而且也證明了我公司高壓變頻器在領域內的技術領先性和質量可靠性，為我們贏得了更多的國際聲譽。同時，進一步證實對提升機系統進行變頻改造的可行性和必要性，值得大力推薦和應用。
HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在越南光興煤礦提升機系統的成功應用，不但為用戶創造了巨大的經濟效益和社會效益，而且也證明了我公司高壓變頻器在領域內的技術領先性和質量可靠性，為我們贏得了更多的國際聲譽。同時，進一步證實對提升機系統進行變頻改造的可行性和必要性，值得大力推薦和應用。