關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)  矢量控制  能量回饋

    礦井提升機(jī)是一種大型提升機(jī)械設(shè)備。由電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備，以帶動(dòng)鋼絲繩從而拉動(dòng)容器在井筒中或者斜坡上運(yùn)行，完成輸送任務(wù)。礦井提升機(jī)是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來(lái)�，F(xiàn)代的礦井提升機(jī)提升量大，速度高，安全性高，已發(fā)展成為電子計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)重型礦山機(jī)械。

    礦井提升機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動(dòng)系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測(cè)速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成，采用交流或直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。按提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機(jī)和摩擦式礦井提升機(jī)。纏繞式礦井提升機(jī)有單卷筒和雙卷筒兩種，鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式與一般絞車類似。單筒大多只有一根鋼絲繩，連接一個(gè)容器。雙筒的每個(gè)卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個(gè)容器，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一個(gè)容器上升，另一個(gè)容器下降。纏繞式礦井提升機(jī)大多用于年產(chǎn)量在120萬(wàn)噸以下、井深小于400米的礦井中。摩擦式礦井提升機(jī)的提升繩搭掛在摩擦輪上，利用與摩擦輪襯墊的摩擦力使容器上升。提升繩的兩端各連接一個(gè)容器，或一端連接容器，另一端連接平衡重。摩擦式礦井提升機(jī)根據(jù)布置方式分為塔式摩擦式礦井提升機(jī)（機(jī)房設(shè)在井筒頂部塔架上）和落地摩擦式礦井提升機(jī)（機(jī)房直接設(shè)在地面上）兩種。按提升繩的數(shù)量又分為單繩摩擦式礦井提升機(jī)和多繩摩擦式礦井提升機(jī)。

    提升機(jī)無(wú)論正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)其工作過(guò)程是相同的，都有起動(dòng)、加速、中速運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行、減速、低速運(yùn)行、制動(dòng)停車等七個(gè)階段。每提升一次運(yùn)行的時(shí)間，與系統(tǒng)的運(yùn)行速度，加速度及斜井或豎井的深度有關(guān)，各段加速度的大小，根據(jù)工藝情況確定，運(yùn)行的時(shí)間由操作工人根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的狀況自定。

    目前大部分大中型煤礦的礦井提升機(jī)都是采用繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行分段有級(jí)調(diào)速。其基本原理是：當(dāng)繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，串入的電阻越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，控制方便；但缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，且次方法屬于有級(jí)調(diào)速，機(jī)械特性較軟。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)電阻的投切采用繼電器—交流接觸器控制。這種控制系統(tǒng)由于調(diào)速過(guò)程中交流接觸器動(dòng)作頻繁，設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，交流接觸器主觸頭易氧化，引發(fā)設(shè)備故障。另外，由于是有級(jí)調(diào)速，提升機(jī)在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會(huì)造成停車位置不準(zhǔn)確。提升機(jī)頻繁的起動(dòng)﹑調(diào)速和制動(dòng)，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻的上產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗，造成了能源的大量浪費(fèi)。起動(dòng)和調(diào)速換擋過(guò)程中電流沖擊大；中高速運(yùn)行震動(dòng)大，安全性較差。所以對(duì)于安全和穩(wěn)定性要求較高的礦山型企業(yè)來(lái)說(shuō)，這種調(diào)速方法將很快被淘汰。

    高壓變頻調(diào)速技術(shù)，特別是能量回饋技術(shù)的高速發(fā)展為礦井提升機(jī)的調(diào)速和節(jié)能改造創(chuàng)造了條件。變頻調(diào)速可實(shí)現(xiàn)0~50HZ全范圍恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級(jí)調(diào)速，且下放重物時(shí)電機(jī)的再生能量可以直接反饋至電網(wǎng)。如采用矢量控制還可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)大轉(zhuǎn)矩的軟啟動(dòng)，對(duì)于豎井式的提升設(shè)備也能實(shí)現(xiàn)快速提升、下放及瞬間的加減速。

   恒鼎實(shí)業(yè)國(guó)際發(fā)展有限公司是集煤炭開采、洗選、煉焦為一體的綜合型煤炭企業(yè)，于2007年9月在香港聯(lián)合交易所主板上市（股票代碼01393），是中國(guó)第一家在境外主要資本市場(chǎng)IPO上市的能源型民營(yíng)企業(yè)。近幾年來(lái)恒鼎實(shí)業(yè)公司積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗政策，已對(duì)旗下大部分煤礦的礦井提升機(jī)進(jìn)行變頻改造。恒鼎實(shí)業(yè)貴州盤縣幾大煤礦采用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的FVA型變頻器共七臺(tái)，對(duì)礦井提升機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造，實(shí)踐證明，使用變頻調(diào)速后提升機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性大大提高，減少了運(yùn)行故障和停工檢修工時(shí)，節(jié)省了人力和物力，提高了運(yùn)煤能力，直接和間接的經(jīng)濟(jì)效益也很可觀。

                                              圖1：現(xiàn)場(chǎng)工藝工況

       主體設(shè)備由以下幾個(gè)部分組成：

    ①北京利德華福公司提供的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)：

                   

                                     圖2：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 

    主要參數(shù)如下：

        型號(hào)：HARSVERT-FVA10/030，能量回饋型矢量控制

        額定電壓：10kV

        額定電流：30A

    ②佳木斯電機(jī)廠生產(chǎn)的高壓電機(jī)：
                                   

                                          圖3：高壓電機(jī)

    主要參數(shù)如下：

    型號(hào)：Y4507-6

    額定電壓：10kV

    額定電流：23.9A

    電機(jī)極數(shù)：6極

    額定轉(zhuǎn)速：989轉(zhuǎn)/分

    ③貴州高原礦山機(jī)械有限公司生產(chǎn)的卷筒、減速機(jī)構(gòu)、液壓和電控系統(tǒng)：

    主要參數(shù)如下：

    型號(hào)：JK-2.5×2.0P

    卷筒直徑：2.5米

    最大提升速度：3m/s

    滾筒容繩量：2km

                                             圖4：減速機(jī)構(gòu)

                                             

                                                圖5：卷筒

                                             

                                            圖6：液壓系統(tǒng)
                      

                                       圖7：電控系統(tǒng)（操作臺(tái)）

     除以上設(shè)備外還有深度指示系統(tǒng)（圖8）和潤(rùn)滑系統(tǒng)（圖9）：

                                       

                                         圖8：深度指示系統(tǒng)

                                         

                                         圖9：減速機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑系統(tǒng)

    潤(rùn)滑站用于對(duì)減速機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑，深度指示系統(tǒng)通過(guò)傳動(dòng)桿與卷筒的滾動(dòng)軸相連，用于提供小車在井下運(yùn)行時(shí)與地面的相對(duì)位置給操作臺(tái)，以便于設(shè)置加減速時(shí)間點(diǎn)和保護(hù)邏輯。液壓系統(tǒng)由液壓站和液壓閘閥組成。液壓泵站驅(qū)動(dòng)位于滾筒前后左右共四組16個(gè)液壓閘閥，每個(gè)閘閥與剎車片相連，以用于緊急抱閘和松閘。變頻器、液壓系統(tǒng)的I\O點(diǎn)及其他所有輔助系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)均送至操作臺(tái)上的PLC，PLC與操作臺(tái)上的觸摸屏使用MODBUS通信，以便于狀態(tài)監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置。操作臺(tái)上的控制按鈕及手柄用于絞車運(yùn)行的手、自動(dòng)切換及開、停車操作。
 

        對(duì)于變頻器來(lái)說(shuō)，定義電機(jī)的運(yùn)行象限為變頻器的運(yùn)行象限，以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為橫軸，轉(zhuǎn)速為縱軸，建立平面直角坐標(biāo)系，如圖10所示：

                                                      

       當(dāng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)向相同時(shí)，如電機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、帶輪等穩(wěn)態(tài)或加速運(yùn)行，或拖動(dòng)提升機(jī)提升重物時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)方式下，變頻器從電網(wǎng)獲取有功功率并輸出給電機(jī)，變頻器運(yùn)行方式在能量輸出狀態(tài)下，即處于第一、三象限。而當(dāng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)向相反時(shí)，如電機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)等軸負(fù)載減速制動(dòng)運(yùn)行，或者電機(jī)拖動(dòng)絞車下放重物時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)方式下，變頻器將從電機(jī)獲取有功功率并回饋至電網(wǎng)，變頻器運(yùn)行于第二、四象限，處于能量回饋狀態(tài)。

    普通的變頻器電網(wǎng)側(cè)采用二極管不可控整流或者半可控整流，僅能工作在第一和第三象限，稱為兩象限變頻器；如果電網(wǎng)側(cè)采用全可控整流的話則可以使變頻器工作在四個(gè)象限，則這種變頻器稱為四象限變頻器或能量回饋型變頻器。

在提升機(jī)上使用能量回饋型變頻器，在停車或下放重物時(shí)，變頻器可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出制動(dòng)力矩，從而不僅可以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)（50HZ停車只需10秒），還可將負(fù)載的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能直接回饋于電網(wǎng)。

      電壓源型能量回饋?zhàn)冾l器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖11所示：

                                               

    其中，網(wǎng)側(cè)逆變器稱為有源前端，負(fù)責(zé)控制變頻器與電網(wǎng)之間的能量交換；電抗器為電網(wǎng)與變頻器之間的能量流動(dòng)提供條件，并限制網(wǎng)側(cè)逆變器電流；網(wǎng)側(cè)濾波器用于吸收網(wǎng)側(cè)逆變器發(fā)出的開關(guān)頻率濾波電流，阻止其注入電網(wǎng)。

將上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將網(wǎng)側(cè)逆變器等效為一可控電壓源，將電網(wǎng)與濾波器等效于一個(gè)理想電壓源，設(shè)電網(wǎng)電壓角頻率為，有效值為E，相位為0°；網(wǎng)側(cè)逆變器輸出有效電壓有效值為U，相位為，電感大小為L(zhǎng)，則，

    從電源E流向電源U的有功功率為：

    從電源E流出的感性無(wú)功功率為：

    由此可知，通過(guò)調(diào)整網(wǎng)側(cè)逆變器的輸出電壓U的幅值和相位來(lái)調(diào)節(jié)變頻器與電網(wǎng)之間的有功和無(wú)功交換：當(dāng)U滯后E時(shí)，>0°，P>0，變頻器從電網(wǎng)吸收有功功率；當(dāng)U超前E時(shí)，<0°，P<0，變頻器向電網(wǎng)回饋有功功率，即處于能力回饋狀態(tài)；當(dāng)

    綜上，只需精確控制變頻器網(wǎng)側(cè)逆變器的輸出電壓，即可控制其有功功率和無(wú)功功率的大小和流向，實(shí)現(xiàn)能力回饋。實(shí)際控制上往往通過(guò)控制電感上的電流來(lái)控制變頻器與電網(wǎng)間的功率交換。

       目前國(guó)內(nèi)大部分變頻器均采用單元串聯(lián)多電平的方式，帶能量回饋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與非能量回饋的類似，區(qū)別在于每個(gè)功率單元內(nèi)，將原有的二極管不可控整流橋改為IGBT逆變橋，如圖12、圖13所示。此外，為了濾除網(wǎng)側(cè)逆變器產(chǎn)生的開關(guān)頻率高次諧波電流，阻止其注入電網(wǎng)，在輸入側(cè)增加了一組網(wǎng)側(cè)濾波器。

                                                     

                                       
       為了控制各個(gè)功率單元的直流母線電壓，在每個(gè)功率單元內(nèi)設(shè)置單獨(dú)的控制器，執(zhí)行網(wǎng)側(cè)逆變器的矢量控制算法，當(dāng)變頻器由能量輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)入能量回饋狀態(tài)時(shí)，有功功率從電機(jī)流入變頻器，造成每個(gè)功率單元的直流母線電壓上升。各個(gè)功率單元內(nèi)的控制器檢測(cè)到這一上升電壓后，將從電網(wǎng)流向功率單元的有功電流給定值減小至一負(fù)數(shù)，這個(gè)時(shí)候主控制器會(huì)預(yù)先通過(guò)程序鎖定電網(wǎng)電壓的幅值、相位和頻率，然后使功率單元的網(wǎng)側(cè)逆變器輸出PWM波，各個(gè)功率單元產(chǎn)生的PWM波通過(guò)疊加后形成與電網(wǎng)相適應(yīng)的正弦波再向電網(wǎng)回饋有功功率。
 

    用工頻時(shí),需要5—7倍的啟動(dòng)電流，用變頻器時(shí),可在零速零電壓?jiǎn)��?dòng)（當(dāng)然可以適當(dāng)提高轉(zhuǎn)矩提升），采用矢量控制的話啟動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩最大為150%的額定轉(zhuǎn)矩，可帶全負(fù)載起動(dòng)。

    變頻器在制動(dòng)中,由于負(fù)載下降時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速隨頻率而下降,這是由制動(dòng)產(chǎn)生的功率能量（勢(shì)能）通過(guò)網(wǎng)側(cè)逆變器回到電網(wǎng)中。還有電機(jī)在剎車停車時(shí),電機(jī)的慣性作用所發(fā)生的能量（勢(shì)能）也能變成再生能源,回到電網(wǎng)中重新利用。所以，使用變頻器節(jié)能效果明顯。
 

        矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大轉(zhuǎn)矩、小電流啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，而能量回饋技術(shù)則使變頻器的節(jié)能功效進(jìn)一步優(yōu)化。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能只是在滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝的條件下，將閥門或擋板節(jié)流所產(chǎn)生的能量損失減少，而能量回饋則還將電機(jī)在二、四象限運(yùn)行時(shí)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)下的再生能量直接回饋至電網(wǎng)。不僅不會(huì)產(chǎn)生像轉(zhuǎn)子串電阻或能耗制動(dòng)方式那樣將不可用或再生的電能以電阻發(fā)熱的形式消耗掉的情況，而且還將這部分能量得以利用，從而使變頻器的節(jié)能效果更加明顯。

       煤礦生產(chǎn)也是一個(gè)高耗能行業(yè)，現(xiàn)代的大型電動(dòng)機(jī)械代替了傳統(tǒng)的人工開掘方式。皮帶機(jī)、提升機(jī)、瓦斯抽排風(fēng)機(jī)、主扇風(fēng)機(jī)的容量逐漸變大，高壓大功率電機(jī)的應(yīng)用進(jìn)一步推廣。而在現(xiàn)有的工藝條件下實(shí)現(xiàn)大幅度的節(jié)能降耗將成為企業(yè)長(zhǎng)期生存下去的必要條件。

    高壓變頻技術(shù)的迅速發(fā)展為煤礦行業(yè)的節(jié)能降耗提供了一個(gè)非常有利的契機(jī)。利德華福公司依托清華大學(xué)的學(xué)術(shù)優(yōu)勢(shì)，擁有10多年的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)沉淀，矢量控制能量回饋型變頻器的大力推廣將為煤炭等礦山型企業(yè)的節(jié)能降耗提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持和保障。