低压滤波型四象限高压变频器在矿井提升机上的应用

　　一、 引言   
　　在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。传统的矿井提升中，80%左右是用交流绕线式电机转子串电阻调速的方式，存在着调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大等诸多问题，改为电控台和高压变频器相结合的控制方案，大大提高了整个电控系统安全可靠性、控制精度及调速性能，为用户提高生产效率的同时，又响应了国家的号召，实现了双重节能减耗的效果。
　　二、用户简介
　　石炭井矿区是宁夏煤炭工业的发源地之一。作为主焦煤生产矿井，石炭井矿在神宁集团煤炭经济板块中占据着非常重要的位置。石炭井二矿始建于1958年，1961年12月20日建矿生产，是原石炭井矿务局最早开发投产的矿井。建矿以来，经历建井、扩建、技术改造、向高标准化迈进等不同阶段，矿区规模不断发展，矿井生产能力不断增强，固定资产规模逐步增大，1997年核定能力为110万吨/年。石炭井焦煤公司是2008年神宁集团将原石炭井二矿与金贺兰公司整合组建成立，截至2009年底，该矿焦煤公司完成了矿井主提升及地面洗选系统技术改造，淘汰了落后的炮采工艺，实现了一井两面年产130万吨左右的生产格局。如图1所示

                         图1 公司大门

　　三、现场基本工况
　　1、提升机参数：单滚筒缠绕式矿井提升机，卷筒直径4000mm，减速比30，最大提升速度3.98m/s；
　　2、电机参数：型号：YP560-10，功率900kW ，定子电压6000V，电流112A，南阳防爆集团股份有限公司；
　　3、变频器参数：型号：HARSVERT-FVA06/120，额定电压6kV，额定电流120A，额定功率1000kW。现场情况如图2、图3所示。

                    图2 提升机现场
 
       图3变频器室

　　四、变频器系统结构、功能介绍

　　HARSVERT-FVA系列低压滤波型高压变频器是北京利德华福电气技术有限公司生产的新一代能量回馈型矢量控制高压变频调速系统，该系统采用单独功率单元滤波形式，改善谐波效果，可适应对谐波要求苛刻的场合。
　　由于受IGBT耐压限制，6kV高压变频调速系统的结构采用功率单元串联模式，6kV系列有15个功率单元和15个滤波单元组成，每5个功率单元串联构成一相，如图4所示。此套高压变频系统采用带编码器矢量控制方式，是速度和电流双闭环控制系统，调压精度高，动态响应快。 
　　HARSVERT-FVA系列能量回馈型矢量控制高压变频器由激磁涌流抑制柜、变压器柜、功率柜和控制柜组成，各柜体结构如图5所示

图4 高压变频调速系统示意图

图5 高压变频系统的构成

　　变压器在受电瞬间，会产生激磁涌流，该数值在正常额定电流的6到10倍，因为矿上电网容量通常较小，易引起电网急剧负向波动，影响其他设备正常运行，另外输入侧的IGBT相对脆弱，减小对其冲击可大大加强可靠性，增加设备的使用寿命。为此，特设置了激磁涌流抑制柜，其主要组成部分为高压电阻与真空接触器。变频器上高压前，高压电阻串入变压器主回路，通过电阻的限流作用降低激磁涌流，减小电网的负向波动和保护IGBT。延时1-2秒后，切除高压电阻，变频器投入正常运行。
　　变压器柜内装有整流变压器，该变压器采用免维护型干式变，绝缘等级为H级，最高耐受温度180℃。变压器将网侧高压变换为副边的多组低压，为功率柜中的功率单元及滤波单元供电，由于变压器副边绕组的独立性，使每个单元的主回路相对独立，其工作电压由各个低压绕组的输出电压来决定，工作在相对的低压状态，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。各功率单元间的相对电压，由变压器副边绕组的绝缘承担，避免了串联均压问题。变压器设有温控设备，能够实时监控其内部温度，在温度较高时发出报警信号，在温度过高时发出跳闸信号。此变压器与通用型高压变频器的变压器比较，有两点不同，1、因为每个模块都要向电网回馈能量，所以变压器每个绕组的阻抗要求比较均匀，造价比较高；2、由于四象限变频器功率单元整流侧与逆变侧均采用IGBT，可使用双PWM技术消除网侧谐波，故变压器二次绕组无需移相。
　　功率柜中装有功率单元和滤波单元，每个功率单元和滤波单元为一组，如图6、7所示，每组结构上完全一致，可以互换，其主电路结构为图8。增加滤波单元（LCL滤波器）是为了消除PWM整流器的开关动作对电网造成的谐波污染。功率单元是整个变频系统的心脏，能量回馈功率单元采用有源前端（AFE）、直流环节（DC-Link）与逆变电路（INV）整合的结构。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。每个功率单元内部包含完整的能量回馈电路、直流滤波电路、逆变电路和旁路电路。每个功率单元相当于一台交-直-交电压源型单相输出的低压变频器。每个功率单元内装有独立的DSP处理器和电压、电流采样电路，能够在主控系统的协调下独立地实现能量回馈的控制。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%）。

图6 前方的功率单元
 
图7 后方的滤波单元
 
图8 功率单元内部基本电路结构

　　变压器二次侧交流电源通过前部IGBT进行三相全桥方式整流，整流后经直流母线对滤波电容充电，每个功率模块中加装电流检测装置，检测直流母线电压，根据直流母线电压大小确定电容上的电流应该给多少，保证直流母线电压稳定。电机需要能量了，母线电压会下降，能量正向流动，这是电动功率。如果能量反向流动，电容上的电压会升高，通过前部IGBT控制，使能量回馈到电网，产品具备100%额定功率的能量回馈能力。
　　变频器的输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图9所示的阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度较长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动。     

              图9 高压变频器输出线电压波形

　　控制系统位于控制柜中，由主控制器（DSP）、人机界面（嵌入式工控机）、PLC三大部分构成，三大部分各有分工，又互相通讯、协同工作。人机界面和主控制器及PLC之间均采用RS485进行数据通讯，通讯协议为Modbus协议。主控制器和PLC之间采用I/O点建立简单通讯。   
　　高性能交流传动系统均需要转速闭环控制，利德华福自主研发的带编码器高性能矢量控制技术，可保证很高的精度和很准确的动态响应。整个系统采用高性能DSP微处理器，可以自动检测到电机的参数，建立电机的数学模型，通过检测电机的电压和电流，对电机的磁通和转矩进行实时的解耦控制，能够对电机转矩进行主动的限制，避免负荷波动导致的过电流故障。
　　五、投运后的效果
　　变频器成功应用于提升机生产，解决了原串电阻调速系统的各种弊端，优势如下：
　　（1）克服了接触器、电阻器绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生率，提高了系统的可靠性；
　　（2）启动柔和，转矩大，实现了无级平滑调速，电机振动小；
　　（3）加减速快速平稳，,机械冲击小，极大的延长了设备的使用寿命；
　　（4）自动化程度高，操作简单，主令手柄和制动手柄在提升机运行中基本不动，降低司机劳动强度和操作难度；
　　（5）基本无维护工作量，减低了维护人员的工作强度；
　　（6）系统具有更完善的软硬件保护环节。
　　六、总结
　　安全生产是煤矿生产永恒的主题。煤矿提升机对整个矿井的安全生产具有至关重要的作用。神宁集团石炭井焦煤公司副井提升机变频器的成功投运，为用户创造了巨大的经济效益和社会效益。实践证明，利用技术先进、成熟安全的高压变频调速系统可以全面改善现场工况，提高系统自动化程度，保证系统安全。同时使用高压变频器可以大大降低现场维护量，降低司机及维护工人的工作强度，值得大力推广。

　　参考文献：
　　1、 倚鹏，北京利德华福电气技术有限公司，《高压大功率变频器技术原理与应用》