四象限變頻器理論分析及在副井提升機的應用實踐

皇世豪

（廣州智光電氣股份有限公司，廣東，廣州，510760)

摘要：本文旨在說明四象限變頻技術的結構框架、理論分析及市場范圍，并著重介紹了廣州智光電氣四象限變頻器在副井提升機中的應用實踐，圍繞大功率工業系統的應用實踐來闡述四象限變頻器不同于傳統工業上使用的兩象限變頻器。對四象限變頻器的拓撲結構作了簡單說明，因半控橋和有續流二極管的電路，整流電壓Ud不能出現負值，并且不允許直流側出現負極性，故四象限變頻器采用了絕緣柵型雙極晶體管IGBT來構成不同于傳統變頻器的整流模塊，來實現主回路負載提升機工作在斜井時實現的能量雙向流動，在將電動機制動產生的能量反饋回電網的同時，還在極大程度上改善了網側輸入功率因數和傳統變頻器二極管整流所產生的網側諧波以及dv/dt很小的特點。本文結合現場四象限變頻器的實際現場應用來介紹其理論分析及應用特點！

關鍵字：四象限　煤礦提升機  濾波  結構拓撲   智光變頻

1、應用現場介紹

華亭煤業集團成立于2002年4月24日，是甘肅省目前**的國有現代化大型煤炭企業，礦區煤炭總面積134平方公里，煤炭地質儲量33.7億噸，是國家規劃的13個大型煤炭基地黃隴極地的骨干礦區之一。礦區煤炭品質優良，具有高發熱量、高揮發量、高化學活性及低硫、低磷、低灰等“三高三低”的特點。華亭煤業集團擁有三個控股子公司、三個全資子公司、三個分公司和馬蹄溝煤礦、山寨煤礦等二級單位，本設備應用現場為山寨煤礦，地處甘肅省平涼市策底鎮街道，華亭縣城西北部，山寨煤礦礦井天平均走向3.00km，平均井斜3.431km,井田面積10.2947km,礦井保有地質儲量21868.3萬t,可采儲量15307.8萬t。

 山寨煤礦于2003年4月進行礦井改擴建，該項目由甘肅省發展改革委員會以甘發改能源（2006）889號文件核準，2003年1月由  煤炭工業太原設計研究院設計，由甘肅省煤業建設第一工程承建，2010年6月竣工驗收。主井井筒斜長756m，傾角16°，1350膠帶大巷共安裝一臺STJ1000/2×560S型膠帶輸送機，運輸能力800t/h，帶寬1000mm，帶強3150N/mm,帶速3.3m/s,電機功率560KW。本次四象限變頻器應用負載為其副井提升系統，副井安裝一臺GKT3×2.2-20型單滾筒絞車，井筒傾角23°，提升長度565m，滾筒直徑3m。寬度2.2m，提升**速度3.8m/s,**靜張力130KN。鋼絲繩直徑37mm，電動機功率450KW，額定電壓6kv,主要負責運輸物料、升降人員等礦井輔助提升任務。井下輔助運輸采用軌道運輸，主要輔助運輸線路采用30Kg/m的礦用鋼軌，全長度2600m。

2、四象限變頻器結構理論分析

2.1、四象限變頻器簡介

四象限變頻中四象限主要是指其能夠運行在具有機械特性曲線所建立的數學模型的數軸之上四個象限，也即是第一象限正轉電動狀態，第二象限回饋制動狀態，第三象限反轉電動狀態，第四象限反接制動狀態。應用的負載主要是具有機械位勢負載特性的工業化現場，例如煤礦提升機、油田磕頭機、離心機、以及牽引機等負載上。

2.2、四象限變頻器主電路結構拓撲

在常規單元串聯多電平型高壓變頻器（1）的基礎上進行改進，以10kV 8級串聯系統為例，電源側采用移相變壓器構成的48重化，供八級單元體電壓的輸入（4），單元輸出采用級聯模式。變壓器副邊繞組輸出通過錯開一定的相位角，有效的降低電網側諧波的污染，n次諧波含有率降低為n=48k±1次，k為自然數。式中已經不含有低次諧波，高次諧波雖然依然存在，但是高次諧波的幅值大大降低。功率單元體的輸入側和移相變壓器之間安裝有交流電抗器，各個功率單元整流橋回路部分由全控型器件IGBT構成（2），在三相移相變壓器的輸入側加上電壓互感器PT（5），PT端二次側電壓通過中間隔離變壓器加在單元體上作為電壓相位檢測回路（6），包括其一次連接的同步整流、過流比較電路、鎖相環電路。下圖為四象限變頻器主電路結構圖：

                           圖1 四象限變頻器主電路結構圖

2.3、全控功率單元主結構拓撲

功率單元整流橋采用全控性整流器件IGBT，中間為儲能環節，逆變為IGBT全逆變橋輸出兩相。當設備工作在第一、三象限，能量正向流通，輸入電壓通過整流橋整流經過直流存儲環節逆變為可供輸出的交流電壓。二四象限工作時，整流側的能量回饋控制部分動作，通過控制逆變電壓相位和幅值，最終實現將直流逆變成交流，將能量回饋到電網。電機能耗反饋回來的能量是通過逆變側的續流二極管向直流母線流動，通過單元輸入實現逆變。

                          圖2  全控功率單元主結構拓撲圖

2.4、相位檢測功能實現

相位檢測環節如圖所示，實現移相變一次側電壓的相位檢測功能。采樣移相變壓器原邊電壓通過PT采樣二次側接入隔離變壓器一次，隔離變二次通過同步整流電路在單元內部進行檢測，通過過零比較電路以及鎖相電路保證移相變原邊電壓相位及移相變壓器的二次相位與電網輸入同相，單元輸入側正相位并聯并網電感，實現電機側向電網側的電壓反饋。

                   圖3  檢測功率單元相位原理圖

3、副井提升機的工藝需求

3.1、電機銘牌參數

 表1 電機銘牌參數

3.2、副井提升機運行工況

在井下565米開始加速至0.5m/s勻速運行，到520米處加速至0.8m/s，運行至430m處全速運行至3.4m/s,一直運行至60m處減速到0.5m/s，20m以下0.2m/s運行最后停車。反向以同樣的方式加減速運行，控制后臺回路為上海電光的電控系統。上拉過程中最多掛6輛小車，載重約為15噸，下放過程最重為23噸左右。電動牽引系統不能完全實現四象限運行，在斜井提升機中必須提供可靠的制動力來克服下放或者上拉停止所產生的由自重或慣性引起的下滑力。電控系統畫面如下圖所示：

圖4  副井提升機系統畫面圖

     上拉下放過程由于負載可能出現在25噸物料以下的所有范圍內，變頻系統需提供給電機足夠的啟動力矩，并盡可能的將加速時間縮短至20s以下，啟動保持時間需控制在3s以下。運行開始前需要將電機風機冷卻系統、制動泵、液壓站潤滑泵全部啟動保證基本的運行制動條件。運行時松開制動抱閘，通過推動速度連桿來控制絞車的速度。停止時將主令開關復位，變頻器需要立即停止輸出，推動抱閘連桿動作迅速停止提升機。下放過程中提升機減速，勢能開始轉化為電動機的動能，電動機工作在第四象限處于反向發電的工作狀態。下圖5為現場副井提升機電動機和負載圖。

                        圖5 副井提升機電動機和負載圖

3.3、電控系統介紹及技術要求

（1）電控系統介紹：本次礦井提升機的電氣控制系統，是由上海電光防爆公司提供的，采用了先進的計算機技術，智能化程度較高。具有先進的自動化控制手段和完善的保護功能，降低了設備的故障率以及設備的檢修時間。

（2）系統功能及技術要求：

1、位置控制：包括減速、停車、過卷、同步、鋼材長度變化引起的位移變化補償。

2、運行全程的速度、位置、減速、過卷采用主控PLC和監控PLC互為保護監視。

3、具有故障診斷功能：具有對西門子PLC、高壓變頻器、現場總線的故障診斷功能。

4、減速校準：在井筒兩端設置獨立的減速校核開關，用于對重要位置的速度校準。

5、具有防止人為誤操作系統。

6、具有三條或者以上的安全回路，且需至少設置一條硬件安全回路保護。

7、PLC操作系統能夠完成提升機手動、半自動、檢修等各種運行方式的控制。

8、具備按照預定時間或者地點減速或者加速的功能，且能夠在出現制動油溫高、主電機超溫、變頻器重故障等問題出現時緊急停車。

9、具備完善的和開關柜以及后臺、變頻器、電機、開關柜、PLC柜的連鎖保護功能。

10、具有PLC硬件和軟件的冗余設計，具備多鐘通訊接口和多種備用程序及方案。

（3）主安全回路內容

A、主令控制器手柄零位聯鎖

B、工作閘制動手柄聯鎖限位開關

C、測速斷線保護

D、失壓脫扣保護

E、制動油壓高繼電器

F、錯向保護

G、等速超速

J、過卷開關

K、過卷復位開關

L、斷軸保護

M、彈簧疲勞開關

N、松繩保護

                       圖6 電控系統人工操作控制臺

4、四象限變頻調速系統應用

4.1、變頻現場一次主回路原理圖

根據現場工藝和負載實際情況，選用由廣州智光提供的容量為630kVA的四象限高壓變頻，額定電壓6kV，額定輸出電流60A，變頻采用手動一拖一方式，GK為高壓帶電顯示器，R為充電電阻，J1為旁路接觸器，充電完成后將充電電阻旁路。K1為刀閘，變頻一次主回路原理圖如圖7所示。

圖7 變頻一次主回路原理圖

4.2、主回路控制方式和功率單元控制

相位檢測電源取自隔離變壓器的二次，隔離變壓器的一次電源取自PT信號。當相位檢測電源拔掉后，單元構成兩象限運行模式，可按照正常變頻器使用。插入電源端子后為四象限運行模式，功率單元交流輸入側串聯有并網交流電抗器，也能減少對電網側的沖擊�？刂苹芈贩譃檎�流部分控制驅動板和逆變部分控制驅動板，分別對應控制電源1和控制電源2。 單元控制回路以可編程邏輯器件為核心，主控回路為以雙數字信號處理器（DSP）和超大規模集成電路可編程邏輯控制器件（FPGA）為控制的核心部分，輸入、輸出電流通過CT和霍爾傳感器進行采樣，輸入和輸出電壓信號通過PT和電壓檢測電阻板實現采樣。功率單元和主控制器之間通過光纖來實現通訊，有光電耦合器實現中間環節的傳輸和AD轉換，將所有采集到的信號通過485和232通訊傳輸至觸摸屏或者液晶面板顯示成數字量。

圖8為單元體外部結構圖，光纖接口連接主控制回路的光纖通訊，控制電源1、2為整流和逆變回路及驅動板件提供電源，相位檢測端子插上即代表工作在四象限變頻狀態。單元內部控制回路主要為驅動板，集成了單元內部測溫、直流電壓檢測回路、IJBT的驅動電路以及交流電壓檢測等功能的處理。單元內部保護裝置設置有過壓保護、過流保護、鎖相保護、驅動保護以及電壓誤差過大保護。當單元體內部出現故障，驅動板會將故障通過狀態指示燈顯示給用戶，方便查看故障信息。

                               圖8 單元體外部構造圖

4.3、相位檢測功能回饋

因為四象限變頻器要實現有源逆變，所以必須保證移相變壓器的一次進線為正相序，否則會導致設備過流保護而燒掉單元內部回路。在上高壓前需要使用相序檢測儀，分別在進線柜和控制柜檢測PT二次側的接線端子保證為正序。相位檢測繼電器的吸合條件：無電控分高壓按鈕節點，有高壓開入，沒有特殊重故障。需要同時滿足時方可吸合繼電器，實現單元回饋功能，即相位檢測繼電器KA17會吸合，回饋電壓后單元直流電壓大概在10S左右直流電壓由780V升到880V左右。 UO4和 UO5為PT電壓互感器，采樣6KV高壓進線開關柜輸入到變壓器一次側的電壓信號然后經過二次側送給隔離變和控制器，供電壓檢測和采樣。

變頻的設備主板程序中已經將主回路的相位檢測作為運行條件，程序檢測到輸入電壓的相位如果不是按照A、B、C三相電壓各超前90°的相序，控制器則會認為設備故障，不能啟動。確保在二、四象限運行時反饋回電網的電壓和網側電壓相位一致。圖9為電壓檢測及相位檢測繼電器。

                             圖9 電壓檢測及相位檢測繼電器

4.4、四象限變頻器現場結構組成

   如圖10和圖11所示，變頻器本體由四大部分構成：進線充電柜、變壓器柜、電感柜、功率控制柜。

（1）進線充電柜：將進線6KV電源引入后接入充電電阻，進線充電柜電阻旁路JI接觸器原理為：上高壓（帶電顯示器GK閃爍）后3S后合閘旁路電阻，對設備主體完成充電過程后將其旁路。作用是完成對直流母線回路的預充電，避免因高壓電送進來時產生的強大的電流沖擊而對模塊內部造成損壞。

（2）變壓器柜：主要放置移相變壓器，對二次輸出電壓進行移相，還有濾除諧波功能。單個功率單元輸出為矩形波，移相疊加后輸出為接近標準正弦波的電壓波形。輸出采用的是移相多重化的正弦脈寬技術（SPWM）、無速度矢量控制，實現低輸出諧波的效果。

（3）電感柜：作用是一方面在電動狀態下實現儲能環節，另一方面實現回饋狀態下的濾波。其主要的意義跟動態無功補償中SVG產品的輸入電抗作用相同，作為并網電感來使用。回饋裝置是外置電抗器結構，接線時需保證電抗器的端子必須與回饋裝置上的端子對應。

（4）功率控制柜：包括控制器、PLC等主控核心器件組成。傳輸過程是光纖傳輸、編碼轉換，控制器內部處理采樣進來的各類數字量信號以及模擬量信號通過AD轉化為小電流信號，再轉為芯片可識別的電壓信號傳遞給主控制板來處理，各類用戶控制接口和通訊功能供用戶端使用。

                       圖10  四象限變頻器組成

                        圖11  四象限變頻器現場結構           

4.6、副井提升機減速應用策略

用戶開關柜為電保持型開關柜，在送電后變頻器的啟動信號為點控制型的，即給啟動高電平時正轉，撤銷該信號時為停止。給停止信號高電平時為反轉，撤銷該電平信號時即為停止信號。在上拉和下放過程中加速過程是由變頻器自身控制，電控系統輔助完成，但是減速過程由電控系統控制，所以減速過程必須要滿足用戶的所有需求，以及配合電控系統的減速和操作臺的緊急抱閘尤為重要。為用戶制定了除正常停機外的另外三種減速方案，滿足用戶在不同負載和不同時刻的需求！下圖13為用戶負載的后臺運行曲線圖。也明顯可以看出設備啟動和停止非常頻繁，連續工作在短時間的加減速過程中，從高速運轉突然減速到零，在較短時間內需要即刻再啟動，所以制動時間的節點非常重要。為此指定了不同于正常減速方案的三種不同的減速模式來達到現場的要求。

           
                圖13  現場后臺運行曲線

（1）第一套減速方案：為折線減速，即以參數設置中的“直流制動頻率”中設定的值為第二段減速起始頻率，50HZ起至設定值的減速時間執行“減速時間”設定的值，第二段減速的減速時間執行“直流制動時間”設定的值，為該段減速時間。

（2）第二套減速方案：為半手動減速，即當“主令手柄”在滿位有手動減速動作的時候，就開始執行第二套減速方案，但是減速的目標頻率（減速后運行的速度）為“主令手柄”控制給定。 減速的時間設定為：“直流制動時間”設定的值，為第二套減速方案的時間。

（3）第三套減速方案：為緊急制動，即在運行過程中，遇到緊急情況，直接拉“制動手柄”，將電機和滾筒抱死。

    綜合來看，在變頻控制系統中設置這三種減速方案可以保證高壓電機在高速運轉過程中以最安全、最快的方式靜止下來，減少了對負載電機減速器的損害，對于具體項目減速方案和時間的把控，應結合具體項目進行減速效果評估。目前現場的減速方案完全滿足華亭煤業現場用戶對于四象限變頻器的“即停即開”的要求，加上日常對變頻器的檢查維護工作，定能夠保證四象限變頻器設備在煤礦提升機安全、可靠運行！

5、結束語

    四象限變頻器的應用極大程度上的提高了現場的節能效果，在制動過程中減少了能量的流失，并且將制動過程中的能量回饋到電網，達到節能環保的作用，相比于普通變頻功能更加優異，節能效果更加明顯。并且減少了電網側的諧波污染，滿載功率因數可以接近于1。隨著市場上對電機的性能以及能耗方面提出更多層次的要求，四象限變頻器未來將能夠更好的服務于各個工業領域！

參考文獻：

[1] 電力電子技術第5版.王兆安 劉進軍主編，機械工業出版社。

[2] ZINVERT系列高壓變頻調速系統培訓教材.廣州，廣州智光電氣股份有限公司。

[3]模擬電子技術基礎.西安交通大學電子學教研組編.楊栓科 主編。

[4]具有四象限運行功能的高壓變頻器專利.廣州，廣州智光電氣股份有限公司

[5]淺談變頻器在采煤機調控中的應用.科技與企業，高桂超。

作者簡介：

皇世豪，男，陜西渭南人，現就職于廣州智光電氣股份有限公司，從事高壓變頻調速相關專業的現場維護服務工作。