整体移动式高压变频电控装置在凿井施工中的应用

整体移动式高压变频电控装置在凿井施工中的应用
1前言
在矿井基本建设的各动力设备中，提升机电控系统系统安装、调试最为复杂、费时，尤其在业主要求建设工期紧的工程中，整个工程前期准备时间其中提升机安装占据很大的一部分时间，因此怎样缩短机电安装时间是许多建井机电技术人员不断攻克的难题。

1传统矿井提升机控制系统现状和问题
目前，我国绝大部分矿井提升机调速采用绕线型异步电动机转子串电阻的交流调速系统(以TKD—A为代表)，这些提升机都是20世纪60年代~1]70年代的产品，存在以下问题：系统功率因数低，启动电流及切换电流冲击大，设备运行不平稳，易引起电气及机械冲击；控制线路复杂，工作稳定性和可靠性差，缺乏故障诊断功能，排查故障困难；转子回路串接金属电阻，消耗电能造成能源浪费，且发热严重致使工作环境恶化；电机滑环接触不良，易引起设备故障，维护工作量及费用高；另外该系统的电气控制部分均采用板式结构，体积大、运行噪声高，且所有接线端柱裸露在外，对运行安全造成极大的危害，因此，对该类型电控调速系统进行改造升级是非常必要的。

绞车变频器的改造原则:
（1）以提高电网质量,减小对电网影响为目标的变频改造。

为了避免电网质量下降，需引入变频控制，其主要目的就是减小绞车工作过程对电网的影响。

（2）以节能为目标的变频改造。

绞车为了克服大的起动转矩，采用的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机的利用率一般在20%～30%之间，最高不会超过50%，电动机常常处于轻载状态，造成了电动机资源的浪费。

为了节能，提高电动机的工作效率，需进行变频改造。

下面分别对采用绕线式异步电机转子串电阻调速方式和变频调速方式的提升机系统的运行特性进行分析，介绍提升机变频控制系统的特点和相关技术。

2绕线式异步电机转子串电阻调速方式的运行特性分析
此方式通过切换交流接触器或者可控硅，在电机的转子回路串入不同阻值的电阻，起到调速运行的作用。

根据实际工况不同，一般电阻分成4-8级，每级设有短接开关，如图1所示（图中为4级电阻调速系统）。

图1：异步电机转子串电阻调速系统电路图
在电机启动之初，所有短接开关处于分断位置，所有电阻串联入电机的转子回路。

当电机加速至一定转速时，闭合最靠中性点侧的短接开关（图1中最下端开关），电机转子所串电阻减少，随着电机进一步加速，绞车司机依次闭合另外几组短接开关，直至所有电阻被短接，电机运行至最高速。

减速时，绞车司机先带闸先把车速降低后再断开靠近电机绕组的短接开关，而后随着转速的降低依次断开另外几组开关，直至所有电阻被串入转子回路，进入爬行阶段，绞车到位后启动抱闸，同时断开定子侧高压断路器。

根据电机学原理，异步电机在转子串联不同数量的电阻情况下的输出转矩（即电磁转矩）与转速的关系曲线如图2所示，图中纵轴为电机的转速与额定转速之比，横轴为电机的输出转矩与额定转矩之比，图2中的5条曲线由上至下依次是串联0至4级电阻时电机的转矩-转速特性曲线。

串联的电阻越多，低速下的输出转矩越大，高速下的输出转矩越小。

在加速过程中，一般采用转矩最优的控制方式，即在转矩-转速特性中串不同电阻曲线的交叉点处切换短接开关，此方式下，电机在加速过程中能获得最大的输出转矩，且开关动作前后电机的输出转矩连续变化。

这一控制一般由绞车司机人工实现，也有系统用PLC自动控制完成。

图中不难看出，在上述控制方式下，电机的加速过程近似为恒转矩加速过程，电机输出转矩为1.8-2.1倍额定转矩；在加速过程中，提升机系统消耗的有功功
率在2-2.2倍额定功率间变化，即使在低速时，由于串入电阻耗能巨大，电机虽然输出功率不大，但其从电网吸收的有功功率仍为额定功率的2-2.2倍；
图2：转矩最优控制方式下，转子串电阻调速转矩-转速特性曲线
图3：转矩最优控制方式下，转子串电阻调速定子电流-转速特性曲线 上述控制方式下，虽然电机能够输出最大的加速转矩，但在加速过程中电机电流较大，约为2-3倍额定电流。

因此在负载较轻时，有时为了降低加速时的电机电流，绞车司机会适当提高各开关动作时的电机转速，在电流降至额定电流时切换短接开关，此时电机的输出转矩、定子电流和从电网吸收的有功功率随速度变化的曲线如图4。

图中可以看出，这种控制方式下，中速以上加速过程电机电流有所减小，约为1-1.7倍额定电流，电机的输出转矩也有所降低，约为1-1.7倍额定转矩，且脉动增加，开关动作前后输出转矩有大幅跳跃，电机消耗的功率有所下降，但由于加速转矩较低，加速时间较长，实际加速过程所耗电能并未减少。

由于加速转矩较低，因而此控制方法不适用于重载提升场合。

与转矩最优控制方式类似，在低速爬行阶段和加速的初始阶段，电网提供的电能的大部分由电阻消耗，电能浪费严重。

图4：额定电流切换控制方式下，转子串电阻调速转矩-转速特性曲线
3高压变频器
HARSVERT-FVA系列高压变频器新一代能量回馈型矢量控制高压变频调速系统，该系统首创无网侧电抗器的四象限单元串联多电平结构，通过无速度传感器矢量控制算法对电机进行精确的控制。

HARSVERT-FVA系列能量回馈型矢量控制高压变频器采用单元串联多电平的拓扑结构，由激磁涌流抑制柜、变压器柜、功率柜和控制柜组成，其外观如图5所示（整体移动式高压变频装置见附图）。

所有设备安装于共用底盘的可移动电控室内。

图5：HARSVERT-FVA系列高压变频器外观
图6：HARSVERT-FVA系列高压变频器功率单元结构
功率单元是整台变频器实现变压变频输出的基本单元，每个功率单元都相当于一台交直交电压源型单相低压变频器。

功率单元整流侧用IGBT三相全桥可控整流，中间采用电解电容滤波和储能，输出侧为4只IGBT组成的H桥，如图6
所示。

每个功率单元内设DSP高速运算器，进行可控整流算法的运算和控制。

由于采用可控整流技术，变频器的输入电流具有较高的功率因数（PF＞0.95）和较低的谐波含量（THD＜4%）。

变频器采用先进的无速度传感器矢量控制算法，对电机的磁通和转矩进行精确的解耦控制，能够实现零速（抱闸状态）200%转矩启动、频繁快速起停、快速加速、快速制动等功能。

HARSVERT-FVA系列高压变频器对矿用提升机负载进行了特殊设计，其输出过载能力达200%/60秒，完全满足现场应用的需要。

4提升机采用高压变频后的优点
从上述中不难看出变频调速比转子串电阻调速方面有着以下几方面的优点：（1）系统采用整体移动式，运输、安装方便快捷。

内部连线在出厂时已连接，到现场后接入主电源和输出电源即可投入试验、调试。

缩短安装时间,节约重复安装的材料。

（2）系统运行平稳。

采用了全数字速度、电流、位置闭环控制使提升机在任意速度下运行稳定可靠并保持爬行距离恒定，使提升机具有较高的运行效率。

启动——加速——减速——停车过程平稳，无顿挫现象。

（3）自动化程度高。

提升机的启动、运行、停车过程能实现电机驱动电源的得、失和制动器的自动控制。

确保运行安全。

（4）节能。

启动时比电阻启动方式节电，显而易见；下方重物时装置采用回馈制动，具有节能效果。

（5）操作和安全保护系统选用两套可编程控制器。

主、辅PLC之间相互通讯及监视，操作过程实现双线控制方式，对提升机运行关键的信号（如速度、容器位置、安全、减速、过卷等等）均采用多重保护，互为监视。

（6）机械冲击摩擦小。

变频调速系统比串电阻系统更能减小对机械部分的冲击，串电阻系统在减速和低速运行时必须靠带闸才能把速度降低到所期望的范围，大大影响了制动器和制动面的寿命。

而变频调速系统只在停车时闸才参与。

5结束语
变频技术是一门新兴的电力电子技术，正在向高性能、高精度、大容量、数字化、智能化方面发展，随着电子技术的飞速发展，一些高可靠性、性能优异的变频器还将不断涌现，并在节能方面显示出惊人的成就。

因此，在煤矿生产中，大力推广变频调速技术，不仅是“十一五”期间企业节能降耗的重要技术手段。

也是实现经济增长方式转变的必然要求，对提高煤矿机电设备技术含量和企业的经济效益具有现实的意义。