14年4月，匯川技術1臺HD92四象限高壓變頻器成功應用于貴州某煤礦礦井提升機上。該產(chǎn)品有效地解決了使用交流繞線式電機轉子串電阻調速控制系統(tǒng)時，提升機減速和爬行階段的速度控制性能差、嚴重耗能等問題，為用戶提高生產(chǎn)效率的同時，實現(xiàn)了雙重節(jié)能效果，并有效利用能源。

一、設備工況

礦井提升機，也稱礦井卷揚機、絞車，是指安裝在地面、借助于鋼絲繩帶動提升容器沿井筒或斜坡道運行的一種大型提升機械設備，是井上和井下的唯一輸送通道。它是由電動機帶動機械設備，以帶動鋼絲繩從而帶動容器在井筒中升降，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?，F(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。  

此提升機變頻改造項目中，之前采用轉子串電阻的調速方式，在使用過程中存在諸多安全隱患，為提高系統(tǒng)的安全性，在我司的建議下，客戶最終決定采購一整套變頻電控系統(tǒng)，將之前的調速系統(tǒng)徹底替換掉。

圖1 提升機現(xiàn)場圖

系統(tǒng)相關參數(shù)：

根據(jù)電機額定功率，綜合考慮電動機功率因數(shù)偏低、使用現(xiàn)場1000m海拔等多方面因素，匯川技術選用HD92四象限高壓變頻器，經(jīng)實踐驗證，完全滿足現(xiàn)場使用要求。

二、提升機工藝要求

提升機的過程是提升容器在井筒中周期往返運動，通常以提升容器的運動速度與時間的關系來表示其運動規(guī)律，稱為速度圖，我們常用的提升系統(tǒng)的速度圖，包括五個階段，一般稱為五階段速度圖。即：加速階段、等速階段、減速階段、爬行階段、制動階段。提升機電氣傳動系統(tǒng)速度曲線如下圖所示：

圖2 提升機運行速度曲線圖

速度曲線圖表達了提升容器在一個提升循環(huán)內的運動規(guī)律，現(xiàn)簡述如下：

1）加速階段 t1：當斗車離開井底時，以加速度 a1 進行加速，直至到達最大提升速度Vm，約2.7m/s；

2）等速階段 t2：斗車在此階段以最大提升速度 Vm 等速運行，直至斗車快要到達井口位置開始減速為止；

3）減速階段 t3：斗車將要接近井口時，開始以減速度 a3 開始減速；

4）爬行階段 t4：斗車將到達預定位置時，斗車以0.5m/s的速度爬行；

5）制動階段 t5：當斗車運行至終點時，提升機系統(tǒng)抱閘停車。

要使提升機按給定的速度曲線運行，電氣傳動系統(tǒng)應能根據(jù)負載的變化而自動的工作在電動或制動狀態(tài)。綜合以上提升機的運行特點以及礦山生產(chǎn)固有的特點，提升機工藝對提升機電控系統(tǒng)的要求如下：

1）加（減）速度應符合國家有關安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。提升人員時，加速度a≤0.75m/s 2 ，升降物料時，加速度a≤1.2m/ s 2。另外不得超過提升機的減速器所允許的動力矩。

2）具有良好的調速性能。要求速度平穩(wěn)，調速方便，調速范圍大，能滿足各種運行方式及提升階段（如加速、減速、等速、爬行等）穩(wěn)定運行的要求。

3）有較好的起動性能。提升機不同于其他機械，不可能等到系統(tǒng)運轉后再裝加負載，因此，提升機必須能夠重載啟動，有較高的過載能力。

4）特性曲線要硬。要保證負載變化時，提升速度基本上不受影響，防止負載大小不同時速降過大，影響系統(tǒng)正常工作(當然，當負載超過一定的限度時，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護。迅速安全制動停車，即所謂要具備挖土機機械特性)。

5）工作方式轉換容易。要能夠方便的進行自動、半自動、手動、驗繩、調繩等工作方式的轉換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉換影響正常生產(chǎn)。

三、變頻改造方案

改造內容：現(xiàn)有電控系統(tǒng)全部拆除，重新采購一整套新的絞車系統(tǒng)，其中操作臺采用兩臺可編程控制器，其中一臺為主控機負責提升機的主程序，第二臺為監(jiān)控機負責信號打點、語音報警和后備保護，兩臺PLC有主有從，互有分工，相互監(jiān)視實現(xiàn)了安全回路的雙線制。使用變頻器驅動電機，采用遠程控制方式，由操作臺的PLC將控制指令傳送到變頻器，控制框圖如下：

圖3 提升機控制框圖

操作臺PLC與變頻器之間采用硬線連接方式，通過0~10V模擬量信號調速，驅動電機在0~50Hz范圍內運行。具體接口信息如下圖所示：

變頻器采用兩線式控制模式，通過DI9、DI10兩個端口分別控制變頻器正、反轉，頻率給定采用0~10V模擬量信號，對應變頻器輸出頻率0~50Hz；

與高壓開關柜聯(lián)鎖信號：

1）合閘允許：常開接點，閉合有效，此信號串聯(lián)在供電高壓開關柜的合閘回路中，當變頻器自檢完成或系統(tǒng)處于工頻狀態(tài)時，信號閉合，允許用戶合高壓電；

2）高壓跳閘：常閉接點，斷開有效，此信號并聯(lián)在供電高壓開關柜的分閘回路上，當變頻器發(fā)生重故障或急停信號有效時，分斷用戶高壓電；

變頻器DO信號：

以上輸出信號全部為獨立無源干接點，默認為常開接點，閉合有效，容量大小為250V AC 5A。

變頻器DI信號：

以上輸入信號僅需客戶提供獨立無源干接點，脈沖信號，除急停外，其它信號均默認為常開接點，閉合有效；

變頻器AI信號：

變頻器AO信號：

注：如果有特殊接口需求，可提前與我公司聯(lián)系，進行定制；

變頻器控制采用開環(huán)矢量控制技術，無需安裝編碼器作速度閉環(huán)控制，可根據(jù)電機運行電壓及電流自行解耦出電機實時運行狀態(tài)。

四、高壓變頻系統(tǒng)原理

國內市場上絕大多數(shù)高壓變頻器均采用功率單元串聯(lián)多電平結構，其中，功率單元采用兩電平拓撲結構，10kV高壓變頻器每相由8或9個功率單元組成，整機由24或27個功率單元組成，具有功率單元數(shù)量眾多，體積大的缺點。根據(jù)此種情況，匯川技術創(chuàng)新性的提出了三電平功率單元串聯(lián)多電平結構，使得每個功率單元具有更高的輸出電壓，10kV高壓變頻器整機只需要15個功率單元，從根本上減少了功率單元數(shù)量，減小了變頻器整機體積。10kV高壓變頻器整機拓撲圖如下：

圖4 10kV四象限高壓變頻器拓撲圖

 
圖5 實際運行中HMI畫面

功率單元采用三電平拓撲結構，中心點采用二極管鉗位，整個功率單元由AFE整流、直流濾波、逆變三大部分組成，功率單元拓撲結構如下：

圖6 功率單元拓撲圖

當變頻器輸出轉速和輸出轉矩方向一致時，電機處于電動機狀態(tài)，此時，功率單元AFE側從電網(wǎng)獲取有更多的功功率，提供給電機轉化為機械能；當變頻器輸出轉速與輸出轉矩方向不一致時，電機處于發(fā)電機狀態(tài)，此時，產(chǎn)生的電能會將功率單元的母線電壓抬高，AFE側迅速將多余的能量回饋到電網(wǎng)。

五、變頻改造優(yōu)勢

1、節(jié)能：相比較于之前的轉子串電阻太偶素方式，采用變頻調速后，在生產(chǎn)力提升30%的情況下，用電量節(jié)約超過20%；

2、系統(tǒng)安全性得到提升：采用變頻調速之后，系統(tǒng)能夠按照設計的速度曲線自主的進行提升速度的精確控制，降低了系統(tǒng)的操作難度，避免了超速、過卷的發(fā)生，極大的提升了整個系統(tǒng)的安全性；

3、低速運行性能優(yōu)越：采用磁鏈閉環(huán)矢量控制技術，除具有電流、電壓閉環(huán)外，還具有磁鏈閉環(huán)的特性，不依賴電機參數(shù)，解決了傳統(tǒng)矢量控制低頻控制效果差的缺點，在低頻時依然能夠可靠驅動電機，不會出現(xiàn)電機轉速波動等情況；

4、提高生產(chǎn)效率：改造后，變頻器加速時間10s，減速時間10s，大大縮短了每次的提升時間，提高了生產(chǎn)效率。徹底解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中用制動閘瓦或電機斷電自然減速來操控低速運行時速度波動大、難于控制又不安全的難題。

5、設備維護量減少：在整個提升過程中完全依靠電力牽引與制動，制動閘瓦只需在停車和安全回路保護動作時才進行抱閘，因此，大幅度的減少了閘瓦的磨損。

6、工作環(huán)境得到改善：取消了原有的大功率調速電阻，徹底解決了電阻發(fā)熱導致環(huán)境溫度高的問題，大大改善了運行現(xiàn)場的工作環(huán)境。

7、無編碼器矢量控制：大多數(shù)高壓變頻器廠家在提升機應用上，需在電機軸上安裝編碼器進行速度閉環(huán)控制，在實際應用時，安裝編碼器非常困難且容易損壞；匯川技術HD92四象限高壓變頻器采用開環(huán)矢量控制，無需安裝編碼器，實際應用結果表明，匯川技術變頻器在不加裝編碼器的情況下，控制性能依然優(yōu)越于大多數(shù)廠家；

8、低頻大扭矩特性：采用磁鏈閉環(huán)矢量控制技術，具有優(yōu)越的低頻特性，采用開環(huán)矢量控制時，在0.5Hz就能夠輸出150%額定轉矩，確保提升機在低速運行時，依然有足夠的轉矩輸出，不會出現(xiàn)拖不動、溜鉤、怠速抱閘等現(xiàn)象；

9、啟動平滑無沖擊：采用磁鏈閉環(huán)矢量控制技術，勵磁電流和轉矩電流完全解耦控制，在啟動過程中，輸出電流完全受控，不會出現(xiàn)啟動沖擊電流；

10、諧波小：采用AFE可控整流，網(wǎng)側功率因數(shù)獨立可控，接近于1，且每個功率單元配備有獨立的PFC電抗器，確保對電網(wǎng)沒有任何諧波污染；