煤矿用提升机的变频调速改造

1  引言    煤矿提升绞车通常采用绕线式电动机作为主驱动，用于提升或下降重物，具有典型的位能负载特性，是煤矿的通用设备。    （1） 由于启动及调速等方面的需要，通常都是在线绕式电动机的转子回路串接电阻，来改变电机的输出转矩，从而降低电机启动电流，以实现小范围的转差变速，去适应负载的突变持性。并实现电动机的分级调整。这种控制方式带来如下弊端:转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费;    （2） 电阻分级切换，实现有级调速，设备运行不平稳，引起电气及机械冲击。低速转矩小，转差功率大，启动电流和换档电流冲击大，中高速运行振动大，制动不安全不可靠，对再生能量处理不力，斜井提升机运行中调速不连续，容易掉道，故障率高。矿用生产是24h连续作业，即使短时间的停机维修也会给生产带来很大损失;    （3） 再生发电时，机械能回馈电网，造成电网功率因数低。尤其在供电馈线较长的应用场合，会加大变压器、供电线路等方面的投资;    （4） 接触器频繁投切，电弧烧伤触点，影响接触器的使用寿命，设备维修成本较高;    （5） 绕线电动机滑环存在的接触不良问题，容易引起设备的事故。

随着交流电动机变频调速器的应用和普及，人们已开始淘汰绕线式电动机转子回路串电阻调速这一落后的调速方式，采用先进的变频调速技术取而代之，实现了提升机械的平滑调速和节能运行，并将电网侧功率因素提高到0.95以上，同时省去了调速接触器、正反转接触器等元件，完全解决了传统提升机械存在的固有缺陷，使设备性能得到极大提高。

2  位能负载的调速特性    提升机械用于提升或下降位能负载，无论是过平衡或欠平衡配置，必然存在电动和再生发电两个工作区，其调速特性如图1和图2所示。

图1     转子回路串电阻的调速特性

图2    交流变频调速特性

如图1所示，绕线式电动机转子回路串接电阻调速时，通过电阻的分级切换和正反转接触器切换，实现有级调速和正反转控制。其中，工作点1和工作点2为电动状态，工作点3为能耗制动状态，工作点4为再生发电机状态。

变频调速特性为一组平行的曲线，由于变频器的频率连续可调，因而能够实现平滑无级调速。图2中1区为电动区，2区为再生发电区，电能回馈至变频器的直流侧，通过制动组件泄放。

3   矿用提升机变频调速系统的工作原理    矿用提升机变频调速系统的原理如图3所示，该设备为交－直－交电压型变频调速系统。

图3      矿用提升机变频调速系统原理图

该系统的运行过程主要分为两个过程。    （1） 绞车电机作为电动机的过程，即正常的逆变过程。该过程主要由整流、滤波和正常逆变三大部分组成。其中正常逆变过程是其核心部分，它改变电机定子的供电频率，从而改变输出电压，起到调速作用;    （2） 绞车电机作为发电机的过程，即能量回馈过程。该过程主要由整流、回馈逆变和输出滤波三部分组成。其中该部分的整流是由正常逆变部分中 IGBT的续流二极管完成。电解电容的主要作用是为回馈逆变部分提供一个稳定的电压源，保证逆变部分运行更可靠。回馈逆变部分是整个回馈过程的核心部分，变频器对输入电源的相位、电网电压波动幅值进行实时检测，实现回馈逆变输出电压相位与电网电压相位的一致。为保证逆变的正常工作以及减少对电网的污染，设有EMC输出滤波部分，使回馈的能量保持平滑性，避免回馈能量对电网的骚扰作用。

采用变频调速实现了软启动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠。起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作、降低了工人的劳动强度。运行速度曲线成S形，低速力矩可达200%，使加减速平滑、无撞击感。安全保护功能齐全，除一般的过压、欠压、过载、短路、温升等保护外，还设有连锁保护、自动限速保护功能等。设有直流制动、能耗制动、及回馈制动等多种选择制动方式，更安全、更可靠。该系统四象限运行，回馈能量直接回电网，且不受回馈能量大小的限制，回馈的能量通过EMC滤波器，有效控制了回馈时的谐波含量。

4  提升机变频调速改造 4.1 工频/变频切换系统的改造    为确保安全可靠，保留原调速系统，随时工/变频的可切换，同时为了让操作者不改变操作习惯，工/变频系统都用原操作机构（可自动或手动切换选择切换方式）操作。

4.2 变频器的容量选择    电动机的额定值选定后，应选择相应的变频器容量。为了充分发挥电动机的负载能力，提高起重设备的安全性能，采用佳灵牌专用提升变频器进行控制。该变频器使电动机系统具有2倍的过载能力（200%,1min）。由于普通变频器的过载能力一般为150%,1min，瞬态过载力矩只能达到 150%～180%，因此必须提高所适配的变频器容量，以便提高变频器与电动机系统的低速力矩和瞬时200～300%的力矩。

由上述可知，只要把变频器的容量提高20%左右，即可使变频器/电动机系统的瞬时过载能力提高到2.0～2.4倍，过载保护仍按电机容量设定就能满足要求。因此应选择变频器额定容量为电动机额定容量的120%以上，即把变频器的容量提高一个等级。本系统使用155kW的电动机，配置佳灵牌 JP6C-200kW变频器，采用提升特性专用控制软件，具有良好的性价比。

4.3 制动组件的选用    如图4所示，再生发电时机械能被转换成电能，回馈到变频器直流侧的电容器上，其结果使直流回路的电压升高，当电压升高到某一设定值（如 750V），制动单元自动控制放电用开关管导通，电能向制动电阻上泄放。制动单元动作后，泄放的能量大于回馈能量，直流回路的电压开始下降，当它下降到某一设定值（如630V），则制动单元自动控制放电用开关管关闭，停止放电。这一充电与放电过程由变频器和制动组件自动完成，维持直流回路电压在一个安全的范围之内。

图4    变频系统示意图

由上述可知，选择制动组件的基本原则是:制动组件的最大瞬时放电能力大于或等于最大瞬时回馈能量。制动组件的平均放电能量大于平均回馈能量。

通常，制动组件的最大瞬时放电能力由其放电开关管的额定电流所决定，而平均放电能力则取决于制动电阻的额定功率大小。煤矿提升机的变频调速改造选用佳灵牌制动单元，按变频器容量由厂家匹配，系统的一致性强维修也方便。

4.4 调速控制方法    采用变频调速控制的提升机械仍可使用传统的速度控制方法，如矿井提升的速度控制，仍可使用传统的凸轮控制器，不同的档位给出了上升或下降方向指令和多级速度指令，输入到变频器的控制端，实现方向控制和调速。现在已经有提升变频专用控制器推出，应用它可以简化控制系统设计，减少故障点。变频调速器还可提供更为先进的闭环控制方法，如配合工艺实现提升和下降的不同速度运行等。

5  结束语    鉴于煤矿的生产分地面和井下防爆环境，其工业化、连续性要求特别高。提升机（绞车）用的佳灵牌回馈型变频器已在山西黄联煤矿成功运行，提升机（绞车）用的能耗型变频器亦在四川芙蓉煤矿成功运行，并有多台在井下防爆型变频器用于绞车、提升机。佳灵牌提升机专用变频器对矿用绞车和提升机、大坡度皮带机的安全运行及节能改造确实起到了决定的作用，应用效果较好。

位能负载条件下的变频调速系统设计必须以实际负载情况为依据，才能达到节省投资的目的。如何使电动机、变频器、制动组件的合理匹配是系统要良好运行的关键。矿用绞车绕线电机改用变频调速方式后，系统具有一定的节电效果，更重要的是具有柔性化控制，使系统的性能大大提高和机械部份寿命延长，使用变频调速也有良好的节能效果。