摘要：介紹四象限運(yùn)行高壓變頻器的矢量控制原理，在煤礦副井絞車中的運(yùn)用，改造，以及節(jié)能等效果 關(guān)鍵詞：高壓變頻器 煤礦 運(yùn)用 一、概述 目前礦用交流提升機(jī)普遍使用繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制系統(tǒng)。在減速和重物下放時(shí)能量通過(guò)轉(zhuǎn)子電阻釋放，能量不能回饋回電網(wǎng)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交-直-交電壓型變頻調(diào)速技術(shù)已開始在礦井提升機(jī)中應(yīng)用。HIVERT-YVF06/077大功率變頻器是北京合康億盛科技有限公司研發(fā)和生產(chǎn)的高壓交流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置。該變頻器采用了先進(jìn)成熟的低壓變頻技術(shù)，以及功率單元串聯(lián)疊波、矢量控制技術(shù)、有源逆變能量回饋技術(shù)等。 二、矢量控制原理 HIVERT-YVF采用轉(zhuǎn)子帶速度反饋的矢量控制技術(shù)。在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定位坐標(biāo)下電機(jī)定子電流分解成勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流。維持勵(lì)磁電流不變，控制轉(zhuǎn)矩電流也就控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)轉(zhuǎn)速采用閉環(huán)控制。實(shí)際運(yùn)行中給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值通過(guò)PID調(diào)節(jié)生成轉(zhuǎn)矩電流IT。經(jīng)過(guò)矢量變換將IT、IM變換為電機(jī)三相給定電流Ia＊、Ib＊、Ic＊，它們與電機(jī)運(yùn)行電流相比較生成三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)?？刂圃砜驁D如圖1 [align=center] 圖1 控制原理圖[/align] 1、主回路 HIVERT系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關(guān)元件為IGBT。HIVERT變頻器采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。 [align=center] 圖2 HIVERT-YVF06/077高壓變頻器6kV系列主電路圖[/align] 主隔離變壓器原邊為Y型接法，直接與高壓相接。 組數(shù)量依變頻器電壓等級(jí)及結(jié)構(gòu)而定，6kV系列為18，延邊三角形接法，為每個(gè)功率單元提供三相電源輸入。輸入側(cè)隔離變壓器二次線圈經(jīng)過(guò)移相，為功率單元提供電源，對(duì)6KV而言相當(dāng)于36脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網(wǎng)側(cè)諧波（尤其是低次諧波）的產(chǎn)生。 變頻器輸出是580VAC功率單元六個(gè)串聯(lián)時(shí)產(chǎn)生3450V相電壓，線電壓6000V，輸出Y接，中性點(diǎn)懸浮，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的可變頻三相高壓電源。 圖3為6kV六單元變頻器輸出的Uab線電壓波形實(shí)錄圖，圖4即為輸出電流Ia的實(shí)錄波形圖，峰值電流130A。 [align=center] 圖3 輸出線電壓波形[/align] [align=center] 圖4 輸出電流波形[/align] 2、功率單元 每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，HIVERT-YVF系列產(chǎn)品具備100%定額功率的能量回饋能力， 功率單元原理見圖5。 [align=center] 圖5 單元結(jié)構(gòu)圖[/align] 圖中：R：三相啟動(dòng)電阻 K：三相接觸器 C：濾波電容 L：濾波電感 功率單元利用IGBT進(jìn)行同步整流，同步整流控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)單元電網(wǎng)輸入電壓，利用鎖相控制技術(shù)得到電網(wǎng)輸入電壓相位，控制整流逆變開關(guān)管Q1～Q6所構(gòu)成的相位與電網(wǎng)電壓的相位差，便可控制電功率在電網(wǎng)與功率單元之間的流向。以a相為例，若要控制a相電流正方向流動(dòng)且幅值增大，必須使Q2導(dǎo)通，若要控制a相電流反方向流動(dòng)且幅值減小，必須關(guān)斷Q1，使電流通過(guò)Q2并聯(lián)的續(xù)流二極管，當(dāng)電機(jī)處于減速運(yùn)行狀態(tài)或負(fù)力提升時(shí)，由于負(fù)載慣性作用進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器中開關(guān)元件和續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，電容器上的直流電壓達(dá)到有源逆變起動(dòng)的門檻電壓時(shí)，自動(dòng)起動(dòng)有源逆變，這時(shí)逆變相位超前，功率單元將電機(jī)及其負(fù)載的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，回饋到電網(wǎng)中去。 反之則電功率由電網(wǎng)注入功率單元，電功率大小與相位差成正比。電功率的大小及流向由單元電壓決定，就同步整流而言，整流側(cè)相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)壓電源，與電功率大小及方向相對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)與逆變相位差由單元電壓與單元整定值之間的偏差通過(guò)PID調(diào)節(jié)生成。 單元逆變輸出由Q7～Q10組成，采用矢量正弦波脈寬調(diào)制（PWM）方式，控制Q7～Q10IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出單相脈寬調(diào)制正弦波形。 3、控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由控制器，IO板和人機(jī)界面組成?？刂破饔扇龎K光纖板，一塊信號(hào)板，一塊主控板和一塊電源板組成。光纖板通過(guò)光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發(fā)出脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)或工作模式。單元通過(guò)光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號(hào)，并在故障時(shí)向光纖板發(fā)出故障代碼信號(hào)。 信號(hào)板采集變頻器的輸出電壓、電流信號(hào)和光電編碼盤信號(hào)，并將模擬信號(hào)隔離、濾波和量程轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)用于變頻器控制、保護(hù)，以及提供給主控板數(shù)據(jù)采集。 主控板采用高速單片機(jī)，完成對(duì)電機(jī)控制的所有功能，運(yùn)用正弦波空間矢量方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令。通過(guò)RS232通訊口與人機(jī)界面主控板進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，提供變頻器的狀態(tài)參數(shù)，并可網(wǎng)絡(luò)化控制。通過(guò)主控板和IO接口板通訊來(lái)的數(shù)據(jù)，計(jì)算出電流、電壓、功率、運(yùn)行頻率等運(yùn)行參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過(guò)載、過(guò)流告警和保護(hù)。通過(guò)RS232通訊口與主控板連接，通過(guò)RS485通訊口與IO接口板連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。 三、設(shè)備改造方案及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程 1、設(shè)備改造方案 現(xiàn)有設(shè)備情況： 改造前副井絞車的設(shè)備配置：焦作華飛全數(shù)字直流控制臺(tái)一臺(tái)，兩臺(tái)6kv， 630kw主電機(jī)，一用一備 （1）、設(shè)計(jì)利用原有操作臺(tái)控制原有電控系統(tǒng)和現(xiàn)用的高壓變頻裝置，利用一臺(tái)開關(guān)柜可以切換新老系統(tǒng)；用另一臺(tái)開關(guān)柜可以切換兩臺(tái)主電機(jī)，主控臺(tái)主令手把控制的高速計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的正反向脈沖數(shù)值量通過(guò)FX2N-4DA數(shù)摸轉(zhuǎn)換為4—20mA電流信號(hào)，控制變頻器的運(yùn)行頻率，主控臺(tái)手把的正反向位置控制變頻的正反向啟動(dòng)與停車。根據(jù)煤礦安全規(guī)程速度規(guī)定，我礦絞車等段速頻率控制在46.66Hz。 （2）、高壓變頻器運(yùn)行過(guò)程中的頻率、電機(jī)電流、電壓、各種輕重故障，通過(guò)與主控臺(tái)PLC的通訊，在操作臺(tái)上進(jìn)行顯示，方便司機(jī)與維修工監(jiān)視絞車的運(yùn)行狀態(tài)與故障記憶。 （3）、我礦副井井筒罐道為組合罐道，絞車在正常停車位置啟動(dòng)后，罐籠從穩(wěn)罐道脫離（穩(wěn)罐道長(zhǎng)度5m）后，進(jìn)入組合罐道以及罐籠在井底從組合罐道脫離進(jìn)入穩(wěn)罐道時(shí)，銜接時(shí)如速度過(guò)高容易產(chǎn)生振動(dòng)以及絞車在停車時(shí)，由于閘的空行程停車瞬間對(duì)絞車也容易產(chǎn)生振動(dòng)。為避免上述情況采用方案如下： 通過(guò)操作臺(tái)PLC編程控制FX2N-4DA輸出，從而控制變頻器在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)行頻率。在啟動(dòng)時(shí)前5m內(nèi)頻率自動(dòng)控制為0.2Hz→2.7Hz速度為0.45m/s；加速段頻率從2.7Hz—46.6Hz，速度從0.45m/s→7.66m/s，加速時(shí)間13s；減速段頻率從46.66Hz→2.7Hz，速度從7.66m/s降到0.45m/s，減速時(shí)間14秒，確保在距井底5米內(nèi)速度降到0.45m/s，接近井口1m頻率1.2Hz，速度降為0.2m/s。整個(gè)運(yùn)行曲線如下： [align=center] 圖六 運(yùn)行曲線[/align] 通過(guò)以上偏移控制，絞車整體運(yùn)行非常平穩(wěn)。 2、現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) （1）、2.3T負(fù)載數(shù)據(jù)：在罐籠上加一個(gè)2.3T中的重車，用控制臺(tái)低速、半速、全速反復(fù)幾次開車，記錄輸出電流和輸出電壓等參數(shù) （2）、4.6T負(fù)載數(shù)據(jù)：在罐籠上加兩個(gè)2.3T中的重車，用控制臺(tái)低速、半速、全速反復(fù)幾次開車，記錄輸出電流和輸出電壓等參數(shù) （3）、11T單鉤提升負(fù)載數(shù)據(jù)：在罐籠上加兩個(gè)2.3T中的罐車，用低速單鉤提升的辦法，來(lái)檢驗(yàn)變頻器最大輸出轉(zhuǎn)矩能否在最特殊的情況下提升。 （4）現(xiàn)場(chǎng)拍攝的速度圖如下 四、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 我礦于2006年10月15日停產(chǎn)檢修期間在副井安裝了一套高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)，現(xiàn)已改造完畢。該高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)在我礦副井投入運(yùn)行以來(lái)，不僅大大提高了副井系統(tǒng)的安全性和可靠性，速度曲線平穩(wěn)，確保了副井提升機(jī)高質(zhì)量運(yùn)行，而且其技術(shù)性能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，具有能量回饋電網(wǎng)功能，節(jié)能效果顯著。原我礦副井使用交流電控系統(tǒng)每月平均用電量3.1萬(wàn)度,現(xiàn)使用高壓變頻調(diào)速電控系統(tǒng)每月平均用電量2.33萬(wàn)度,節(jié)電0.77萬(wàn)度，節(jié)電率為25%。該裝置可應(yīng)用于需要四象限反饋、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、低速運(yùn)行轉(zhuǎn)矩大等高精度場(chǎng)合。具有瞬時(shí)停電跟蹤功能，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動(dòng)。低速輸出轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，保護(hù)功能齊全，可靠性高，故障率低，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。由于采用了高壓變頻控制技術(shù)，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)，無(wú)級(jí)調(diào)速，乘坐舒適，減少了機(jī)械的沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，產(chǎn)生了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。礦山提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有控制性能優(yōu)良、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行效率高、維護(hù)工作量小等諸多優(yōu)點(diǎn),隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟與能源節(jié)約要求的必然趨勢(shì)，它正成為礦山提升機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向。