能量回饋型高性能高壓變頻調速系統在礦井提升機上的應用
一、前言
雞西富陽煤礦是一家雞西市規模較大私人煤礦，利用原來接近廢棄的國有礦道，進行煤炭深挖掘 ，目前年產優質煤炭30萬噸。該煤礦的主井提升機為單筒式礦井提升機，斜井，滾筒直徑為2.5米，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，存在以下缺點：
（1）大量的電能消耗在轉差電阻上，造成了嚴重的能源浪費，同時電阻器的安裝需要占用很大的空間。
（2）控制系統復雜，導致系統的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了生產效率。
（3）低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現速度控制，特別是在負載發生變化時，很難實現恒減速，導致調速不連續、速度控制性能較差。
（4）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，而且極容易出現“掉道”現象。
（5）自動程度不高，增加了開采成本，影響了產量。
（6）低電壓和低速段的啟動力矩小，帶負載能力差，無法實現恒轉矩提升。
（1）大量的電能消耗在轉差電阻上，造成了嚴重的能源浪費，同時電阻器的安裝需要占用很大的空間。
（2）控制系統復雜，導致系統的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了生產效率。
（3）低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現速度控制，特別是在負載發生變化時，很難實現恒減速，導致調速不連續、速度控制性能較差。
（4）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，而且極容易出現“掉道”現象。
（5）自動程度不高，增加了開采成本，影響了產量。
（6）低電壓和低速段的啟動力矩小，帶負載能力差，無法實現恒轉矩提升。
目前，變頻器調速系統作為當前最先進的交流電機調速系統，越來越多的應用于各種交流電機拖動場合，作為礦井提升機這種特殊行業、特殊負載，應用的案例還比較少，尤其是針對高壓變頻調速系統，雞西富陽煤礦標新立異，敢于創新，通過多家比對，考察，決定采用北京利德華福電氣技術有限公司生產的能量回饋型高性能矢量控制變頻器對原系統進行改造。
二、改造實施方案
變頻器一次原理如下圖：
變頻器一次原理如下圖：
原有的串電阻調速方式繼續保留，通過切換開關將高壓變頻器融入到原系統，保證兩個系統操作的相對獨立性，這樣，高壓變頻調速系統可以和原系統互為備用，增加礦井提升機運行的可靠性。變頻器本體部分說明如下：
（1）高壓變頻器采用單元串聯多電平拓補結構，輸入諧波小，功率因數高；
（1）高壓變頻器采用單元串聯多電平拓補結構，輸入諧波小，功率因數高；
（2）高壓變頻器為可以四象限運行的能量回饋型變頻器，采用最先進的矢量控制技術，加速時可以實現最大的轉矩輸出，加速時間縮小至最短，而減速時，可以控制電機在四象限運行，輸出制動轉矩，減速時間縮至最短，同時，將勢能轉化為電能，回饋至電網，從而達到節能的目的；
（3）考慮到礦用電網容量較小，變頻器配備激磁涌流柜，在變頻器送電初期，將幾次涌流抑制電阻投入主回路，延時兩秒后，通過自動切換回路，切除激磁涌流抑制電阻，通過此種技術方案，降低變壓器激磁涌流，保證變頻器瞬間投入時不對電網造成電壓波動；
設備參數
（1）電機
（2）變頻器
三、針對該礦井提升機作出的特殊改動
（1）用戶所配備的高壓柜相當簡單且古老，無電動合閘功能，合閘操作只能用手動操作，這樣，我設備的“合閘允許”節點即使串入合閘回路，也起不到保護作用，鑒于此，修改如下：將“合閘允許”常開節點修改為常閉節點，該節點與“高壓分斷”節點并在一起，并入用戶的跳閘回路，這樣修改的好處是，一旦用戶疏忽，當變頻器沒有送控制電的時候就手動合高壓開關，我公司“合閘允許”信號未發出，常閉節點有效，會通過用戶跳閘回路立刻跳開高壓開關，避免變頻器不送控制電而上高壓電可能帶來的器件損壞。
（2）國家對礦井提升機的電控系統的保護功能要求很嚴謹，所有重要保護信號都采用閉點信號，防止因電纜意外斷連而造成保護失效，鑒于此，將我設備“重故障”保護信號的常開點修改為常閉點，與“PLC工作狀態”（常開點信號）串接在一起，再串入電控系統的安全回路中，即當我公司設備報重故障后，或者 PLC工作狀態信號消失后，斷開安全回路，電控系統保護動作，緊急抱閘啟動，防止溜車現象發生，即使我公司設備正常，而串入安全回路的線路松動或中斷，也會致使電控安全回路保護動作，防止因線路原因產生事故。
（3）能量回饋型變頻器矢量運行時，在低速時，負向力矩性能差強人意，即用戶下放時，尤其下放重物時，容易產生無法控制轉速的現象，即真正的溜車現象，而用戶的電控系統很不完善，抱閘操作手柄不能適時控制，要么抱死，要么全部松開，無法配合變頻器，實現絞車平穩下放，而最低頻率又不能設置過高，否則用戶啟車速度過快，不好控制，鑒于此，適當延長低速段的降速時間，即運行人員正常操作絞車的時候，到接近停車的時候，保證絞車仍在較高的速度段運行，而不是直接到了最低頻率，盡量避免溜車現象發生。
四、改造效果
經過幾天的調試，變頻器成功應用于絞車生產，比較原有串電阻調速系統，變頻器有如下優點：
（1）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。
（2）調速連續方便，可分段予置，連續調節。
（2）調速連續方便，可分段予置，連續調節。
（3）轉速控制采用操控臺模擬量直接控制，擺脫了串電阻調速時高壓接觸器切換 環節，絞車運行無脈動感；
（4）運行速度曲線成S形，使加減速平滑、無撞擊感。
（5）安全保護功能齊全，除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護外，還設有連鎖保護、自動限速保護功能等。
（6）甩掉了原系統加速用的轉子串電阻、交流接觸器及時間繼電器等，提高了系統的可靠性，操作人員的工作環境也大為改善。
（7）電機四象限運行，即實現了快速制動的目的，又可將能量回饋至電網，避免能量消耗在電阻上，達到節能的目的。
（4）運行速度曲線成S形，使加減速平滑、無撞擊感。
（5）安全保護功能齊全，除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護外，還設有連鎖保護、自動限速保護功能等。
（6）甩掉了原系統加速用的轉子串電阻、交流接觸器及時間繼電器等，提高了系統的可靠性，操作人員的工作環境也大為改善。
（7）電機四象限運行，即實現了快速制動的目的，又可將能量回饋至電網，避免能量消耗在電阻上，達到節能的目的。
五、結束語
繞線式電機轉子串電阻調速，電阻上消耗大量的轉差功率，速度越低，消耗的轉差功率越大。使用能量回饋型變頻調速，是一種不耗能的高效的調速方式。電機在發電狀態下運行時還可以將能量回饋至電網，節能十分顯著，取得了很好的經濟效益。另外，提升機變頻調速后，系統運行的穩定性和安全性得到大大的提高，減少了運行故障和停工工時，節省了人力和物力，提高了運煤能力，間接的經濟效益也很可觀。