能量回饋型高性能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在礦井提升機(jī)上的應(yīng)用
一、前言
雞西富陽煤礦是一家雞西市規(guī)模較大私人煤礦，利用原來接近廢棄的國(guó)有礦道，進(jìn)行煤炭深挖掘 ，目前年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煤炭30萬噸。該煤礦的主井提升機(jī)為單筒式礦井提升機(jī)，斜井，滾筒直徑為2.5米，電機(jī)的調(diào)速方式采用傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速方式，該調(diào)速方式屬于落后技術(shù)，存在以下缺點(diǎn)：
（1）大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)，同時(shí)電阻器的安裝需要占用很大的空間。
（2）控制系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)碳刷容易損壞，維護(hù)工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。
（3）低速和爬行階段需要依靠制動(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制，特別是在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)恒減速，導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。
（4）啟動(dòng)和換檔沖擊電流大，造成了很大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。
（5）自動(dòng)程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。
（6）低電壓和低速段的啟動(dòng)力矩小，帶負(fù)載能力差，無法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。
（1）大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)，同時(shí)電阻器的安裝需要占用很大的空間。
（2）控制系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)碳刷容易損壞，維護(hù)工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。
（3）低速和爬行階段需要依靠制動(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制，特別是在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)恒減速，導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。
（4）啟動(dòng)和換檔沖擊電流大，造成了很大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。
（5）自動(dòng)程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。
（6）低電壓和低速段的啟動(dòng)力矩小，帶負(fù)載能力差，無法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。
目前，變頻器調(diào)速系統(tǒng)作為當(dāng)前最先進(jìn)的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，越來越多的應(yīng)用于各種交流電機(jī)拖動(dòng)場(chǎng)合，作為礦井提升機(jī)這種特殊行業(yè)、特殊負(fù)載，應(yīng)用的案例還比較少，尤其是針對(duì)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，雞西富陽煤礦標(biāo)新立異，敢于創(chuàng)新，通過多家比對(duì)，考察，決定采用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的能量回饋型高性能矢量控制變頻器對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行改造。
二、改造實(shí)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(diào)速方式繼續(xù)保留，通過切換開關(guān)將高壓變頻器融入到原系統(tǒng)，保證兩個(gè)系統(tǒng)操作的相對(duì)獨(dú)立性，這樣，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以和原系統(tǒng)互為備用，增加礦井提升機(jī)運(yùn)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(lián)多電平拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，輸入諧波小，功率因數(shù)高；
（1）高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，輸入諧波小，功率因數(shù)高；
（2）高壓變頻器為可以四象限運(yùn)行的能量回饋型變頻器，采用最先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，加速時(shí)可以實(shí)現(xiàn)最大的轉(zhuǎn)矩輸出，加速時(shí)間縮小至最短，而減速時(shí)，可以控制電機(jī)在四象限運(yùn)行，輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減速時(shí)間縮至最短，同時(shí)，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，回饋至電網(wǎng)，從而達(dá)到節(jié)能的目的；
（3）考慮到礦用電網(wǎng)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(shí)兩秒后，通過自動(dòng)切換回路，切除激磁涌流抑制電阻，通過此種技術(shù)方案，降低變壓器激磁涌流，保證變頻器瞬間投入時(shí)不對(duì)電網(wǎng)造成電壓波動(dòng)；
設(shè)備參數(shù)
（1）電機(jī)
（2）變頻器
三、針對(duì)該礦井提升機(jī)作出的特殊改動(dòng)
（1）用戶所配備的高壓柜相當(dāng)簡(jiǎn)單且古老，無電動(dòng)合閘功能，合閘操作只能用手動(dòng)操作，這樣，我設(shè)備的“合閘允許”節(jié)點(diǎn)即使串入合閘回路，也起不到保護(hù)作用，鑒于此，修改如下：將“合閘允許”常開節(jié)點(diǎn)修改為常閉節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)與“高壓分?jǐn)?rdquo;節(jié)點(diǎn)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(dāng)變頻器沒有送控制電的時(shí)候就手動(dòng)合高壓開關(guān)，我公司“合閘允許”信號(hào)未發(fā)出，常閉節(jié)點(diǎn)有效，會(huì)通過用戶跳閘回路立刻跳開高壓開關(guān)，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(guó)家對(duì)礦井提升機(jī)的電控系統(tǒng)的保護(hù)功能要求很嚴(yán)謹(jǐn)，所有重要保護(hù)信號(hào)都采用閉點(diǎn)信號(hào)，防止因電纜意外斷連而造成保護(hù)失效，鑒于此，將我設(shè)備“重故障”保護(hù)信號(hào)的常開點(diǎn)修改為常閉點(diǎn)，與“PLC工作狀態(tài)”（常開點(diǎn)信號(hào)）串接在一起，再串入電控系統(tǒng)的安全回路中，即當(dāng)我公司設(shè)備報(bào)重故障后，或者 PLC工作狀態(tài)信號(hào)消失后，斷開安全回路，電控系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作，緊急抱閘啟動(dòng)，防止溜車現(xiàn)象發(fā)生，即使我公司設(shè)備正常，而串入安全回路的線路松動(dòng)或中斷，也會(huì)致使電控安全回路保護(hù)動(dòng)作，防止因線路原因產(chǎn)生事故。
（3）能量回饋型變頻器矢量運(yùn)行時(shí)，在低速時(shí)，負(fù)向力矩性能差強(qiáng)人意，即用戶下放時(shí)，尤其下放重物時(shí)，容易產(chǎn)生無法控制轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象，即真正的溜車現(xiàn)象，而用戶的電控系統(tǒng)很不完善，抱閘操作手柄不能適時(shí)控制，要么抱死，要么全部松開，無法配合變頻器，實(shí)現(xiàn)絞車平穩(wěn)下放，而最低頻率又不能設(shè)置過高，否則用戶啟車速度過快，不好控制，鑒于此，適當(dāng)延長(zhǎng)低速段的降速時(shí)間，即運(yùn)行人員正常操作絞車的時(shí)候，到接近停車的時(shí)候，保證絞車仍在較高的速度段運(yùn)行，而不是直接到了最低頻率，盡量避免溜車現(xiàn)象發(fā)生。
四、改造效果
經(jīng)過幾天的調(diào)試，變頻器成功應(yīng)用于絞車生產(chǎn)，比較原有串電阻調(diào)速系統(tǒng)，變頻器有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)、軟停車，減少了機(jī)械沖擊，使運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠。
（2）調(diào)速連續(xù)方便，可分段予置，連續(xù)調(diào)節(jié)。
（2）調(diào)速連續(xù)方便，可分段予置，連續(xù)調(diào)節(jié)。
（3）轉(zhuǎn)速控制采用操控臺(tái)模擬量直接控制，擺脫了串電阻調(diào)速時(shí)高壓接觸器切換 環(huán)節(jié)，絞車運(yùn)行無脈動(dòng)感；
（4）運(yùn)行速度曲線成S形，使加減速平滑、無撞擊感。
（5）安全保護(hù)功能齊全，除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護(hù)外，還設(shè)有連鎖保護(hù)、自動(dòng)限速保護(hù)功能等。
（6）甩掉了原系統(tǒng)加速用的轉(zhuǎn)子串電阻、交流接觸器及時(shí)間繼電器等，提高了系統(tǒng)的可靠性，操作人員的工作環(huán)境也大為改善。
（7）電機(jī)四象限運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)了快速制動(dòng)的目的，又可將能量回饋至電網(wǎng)，避免能量消耗在電阻上，達(dá)到節(jié)能的目的。
（4）運(yùn)行速度曲線成S形，使加減速平滑、無撞擊感。
（5）安全保護(hù)功能齊全，除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護(hù)外，還設(shè)有連鎖保護(hù)、自動(dòng)限速保護(hù)功能等。
（6）甩掉了原系統(tǒng)加速用的轉(zhuǎn)子串電阻、交流接觸器及時(shí)間繼電器等，提高了系統(tǒng)的可靠性，操作人員的工作環(huán)境也大為改善。
（7）電機(jī)四象限運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)了快速制動(dòng)的目的，又可將能量回饋至電網(wǎng)，避免能量消耗在電阻上，達(dá)到節(jié)能的目的。
五、結(jié)束語
繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，電阻上消耗大量的轉(zhuǎn)差功率，速度越低，消耗的轉(zhuǎn)差功率越大。使用能量回饋型變頻調(diào)速，是一種不耗能的高效的調(diào)速方式。電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)還可以將能量回饋至電網(wǎng)，節(jié)能十分顯著，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，提升機(jī)變頻調(diào)速后，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性得到大大的提高，減少了運(yùn)行故障和停工工時(shí)，節(jié)省了人力和物力，提高了運(yùn)煤能力，間接的經(jīng)濟(jì)效益也很可觀。