關鍵詞：礦井提升機  矢量控制  能量回饋

    礦井提升機是一種大型提升機械設備。由電機帶動機械設備，以帶動鋼絲繩從而拉動容器在井筒中或者斜坡上運行，完成輸送任務。礦井提升機是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來。現(xiàn)代的礦井提升機提升量大，速度高，安全性高，已發(fā)展成為電子計算機控制的全自動重型礦山機械。

    礦井提升機主要由電動機、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成，采用交流或直流電機驅(qū)動。按提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機和摩擦式礦井提升機。纏繞式礦井提升機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，連接一個容器。雙筒的每個卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個容器，運轉時一個容器上升，另一個容器下降。纏繞式礦井提升機大多用于年產(chǎn)量在120萬噸以下、井深小于400米的礦井中。摩擦式礦井提升機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。摩擦式礦井提升機根據(jù)布置方式分為塔式摩擦式礦井提升機（機房設在井筒頂部塔架上）和落地摩擦式礦井提升機（機房直接設在地面上）兩種。按提升繩的數(shù)量又分為單繩摩擦式礦井提升機和多繩摩擦式礦井提升機。

    提升機無論正轉、反轉其工作過程是相同的，都有起動、加速、中速運行、穩(wěn)定運行、減速、低速運行、制動停車等七個階段。每提升一次運行的時間，與系統(tǒng)的運行速度，加速度及斜井或豎井的深度有關，各段加速度的大小，根據(jù)工藝情況確定，運行的時間由操作工人根據(jù)現(xiàn)場的狀況自定。

    目前大部分大中型煤礦的礦井提升機都是采用繞線式電機轉子串電阻的方法進行分段有級調(diào)速。其基本原理是：當繞線式異步電動機轉子串入附加電阻后，電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行，串入的電阻越大，電動機的轉速越低。此方法的優(yōu)點是設備簡單，控制方便；但缺點是轉差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，且次方法屬于有級調(diào)速，機械特性較軟。在實際應用時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)速過程中交流接觸器動作頻繁，設備運行的時間較長，交流接觸器主觸頭易氧化，引發(fā)設備故障。另外，由于是有級調(diào)速，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會造成停車位置不準確。提升機頻繁的起動﹑調(diào)速和制動，在轉子外電路所串電阻的上產(chǎn)生相當大的功耗，造成了能源的大量浪費。起動和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大；中高速運行震動大，安全性較差。所以對于安全和穩(wěn)定性要求較高的礦山型企業(yè)來說，這種調(diào)速方法將很快被淘汰。

    高壓變頻調(diào)速技術，特別是能量回饋技術的高速發(fā)展為礦井提升機的調(diào)速和節(jié)能改造創(chuàng)造了條件。變頻調(diào)速可實現(xiàn)0~50HZ全范圍恒轉矩無級調(diào)速，且下放重物時電機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現(xiàn)靜態(tài)大轉矩的軟啟動，對于豎井式的提升設備也能實現(xiàn)快速提升、下放及瞬間的加減速。

   恒鼎實業(yè)國際發(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），是中國第一家在境外主要資本市場IPO上市的能源型民營企業(yè)。近幾年來恒鼎實業(yè)公司積極響應國家節(jié)能降耗政策，已對旗下大部分煤礦的礦井提升機進行變頻改造。恒鼎實業(yè)貴州盤縣幾大煤礦采用北京利德華福電氣技術有限公司的FVA型變頻器共七臺，對礦井提升機設備進行改造，實踐證明，使用變頻調(diào)速后提升機運行的穩(wěn)定性和安全性大大提高，減少了運行故障和停工檢修工時，節(jié)省了人力和物力，提高了運煤能力，直接和間接的經(jīng)濟效益也很可觀。

                                              圖1：現(xiàn)場工藝工況

       主體設備由以下幾個部分組成：

    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：HARSVERT-FVA10/030，能量回饋型矢量控制

        額定電壓：10kV

        額定電流：30A

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

                                          圖3：高壓電機

    主要參數(shù)如下：

    型號：Y4507-6

    額定電壓：10kV

    額定電流：23.9A

    電機極數(shù)：6極

    額定轉速：989轉/分

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

    主要參數(shù)如下：

    型號：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：減速機構

                                             

                                                圖5：卷筒

                                             

                                            圖6：液壓系統(tǒng)
                      

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

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

                                       

                                         圖8：深度指示系統(tǒng)

                                         

                                         圖9：減速機構潤滑系統(tǒng)

    潤滑站用于對減速機構的潤滑，深度指示系統(tǒng)通過傳動桿與卷筒的滾動軸相連，用于提供小車在井下運行時與地面的相對位置給操作臺，以便于設置加減速時間點和保護邏輯。液壓系統(tǒng)由液壓站和液壓閘閥組成。液壓泵站驅(qū)動位于滾筒前后左右共四組16個液壓閘閥，每個閘閥與剎車片相連，以用于緊急抱閘和松閘。變頻器、液壓系統(tǒng)的I\O點及其他所有輔助系統(tǒng)的狀態(tài)信號均送至操作臺上的PLC，PLC與操作臺上的觸摸屏使用MODBUS通信，以便于狀態(tài)監(jiān)控和參數(shù)設置。操作臺上的控制按鈕及手柄用于絞車運行的手、自動切換及開、停車操作。
 

        對于變頻器來說，定義電機的運行象限為變頻器的運行象限，以電機的轉矩為橫軸，轉速為縱軸，建立平面直角坐標系，如圖10所示：

                                                      

       當電機的輸出轉矩與電機轉向相同時，如電機拖動風機、水泵、壓縮機、帶輪等穩(wěn)態(tài)或加速運行，或拖動提升機提升重物時，電機運行在電動機方式下，變頻器從電網(wǎng)獲取有功功率并輸出給電機，變頻器運行方式在能量輸出狀態(tài)下，即處于第一、三象限。而當電機輸出的轉矩與電機轉向相反時，如電機拖動風機等軸負載減速制動運行，或者電機拖動絞車下放重物時，電機運行在發(fā)電機方式下，變頻器將從電機獲取有功功率并回饋至電網(wǎng)，變頻器運行于第二、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)側采用全可控整流的話則可以使變頻器工作在四個象限，則這種變頻器稱為四象限變頻器或能量回饋型變頻器。

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

      電壓源型能量回饋變頻器的基本拓撲結構如圖11所示：

                                               

    其中，網(wǎng)側逆變器稱為有源前端，負責控制變頻器與電網(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提供條件，并限制網(wǎng)側逆變器電流；網(wǎng)側濾波器用于吸收網(wǎng)側逆變器發(fā)出的開關頻率濾波電流，阻止其注入電網(wǎng)。

將上述結構進行簡化，將網(wǎng)側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理想電壓源，設電網(wǎng)電壓角頻率為，有效值為E，相位為0°；網(wǎng)側逆變器輸出有效電壓有效值為U，相位為，電感大小為L，則，

    從電源E流向電源U的有功功率為：

    從電源E流出的感性無功功率為：

    由此可知，通過調(diào)整網(wǎng)側逆變器的輸出電壓U的幅值和相位來調(diào)節(jié)變頻器與電網(wǎng)之間的有功和無功交換：當U滯后E時，>0°，P>0，變頻器從電網(wǎng)吸收有功功率；當U超前E時，<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

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

       目前國內(nèi)大部分變頻器均采用單元串聯(lián)多電平的方式，帶能量回饋的拓撲結構與非能量回饋的類似，區(qū)別在于每個功率單元內(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)側逆變器產(chǎn)生的開關頻率高次諧波電流，阻止其注入電網(wǎng)，在輸入側增加了一組網(wǎng)側濾波器。

                                                     

                                       
       為了控制各個功率單元的直流母線電壓，在每個功率單元內(nèi)設置單獨的控制器，執(zhí)行網(wǎng)側逆變器的矢量控制算法，當變頻器由能量輸出狀態(tài)轉入能量回饋狀態(tài)時，有功功率從電機流入變頻器，造成每個功率單元的直流母線電壓上升。各個功率單元內(nèi)的控制器檢測到這一上升電壓后，將從電網(wǎng)流向功率單元的有功電流給定值減小至一負數(shù)，這個時候主控制器會預先通過程序鎖定電網(wǎng)電壓的幅值、相位和頻率，然后使功率單元的網(wǎng)側逆變器輸出PWM波，各個功率單元產(chǎn)生的PWM波通過疊加后形成與電網(wǎng)相適應的正弦波再向電網(wǎng)回饋有功功率。
 

    用工頻時,需要5—7倍的啟動電流，用變頻器時,可在零速零電壓啟動（當然可以適當提高轉矩提升），采用矢量控制的話啟動時動態(tài)轉矩最大為150%的額定轉矩，可帶全負載起動。

    變頻器在制動中,由于負載下降時,電機轉速隨頻率而下降,這是由制動產(chǎn)生的功率能量（勢能）通過網(wǎng)側逆變器回到電網(wǎng)中。還有電機在剎車停車時,電機的慣性作用所發(fā)生的能量（勢能）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。
 

        矢量控制技術實現(xiàn)了大轉矩、小電流啟動和轉速及轉矩的精準調(diào)節(jié)，而能量回饋技術則使變頻器的節(jié)能功效進一步優(yōu)化。因為傳統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能只是在滿足現(xiàn)場工藝的條件下，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在二、四象限運行時處于發(fā)電機狀態(tài)下的再生能量直接回饋至電網(wǎng)。不僅不會產(chǎn)生像轉子串電阻或能耗制動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)也是一個高耗能行業(yè)，現(xiàn)代的大型電動機械代替了傳統(tǒng)的人工開掘方式。皮帶機、提升機、瓦斯抽排風機、主扇風機的容量逐漸變大，高壓大功率電機的應用進一步推廣。而在現(xiàn)有的工藝條件下實現(xiàn)大幅度的節(jié)能降耗將成為企業(yè)長期生存下去的必要條件。

    高壓變頻技術的迅速發(fā)展為煤礦行業(yè)的節(jié)能降耗提供了一個非常有利的契機。利德華福公司依托清華大學的學術優(yōu)勢，擁有10多年的技術和經(jīng)驗沉淀，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)能降耗提供強有力的技術支持和保障。