汇川技术HD92四象限高压变频器在矿井提升机的应用

摘要：本文着重介绍汇川技术HD92四象限高压变频器在云南某现场提升机上的应用。提升机采用变频调速后，与之前转子串电阻调速方式相比较，在操作性、可靠性及维护性上有了很大的改善和提高，与此同时，在产量增加的前提下，还具有一定的节能效果。 一、设备工况     此次项目为云南某煤业集团下属子矿的主井提升系统，之前采用转子串电阻的调速方式，在使用过程中存在诸多安全隐患，为提高系统的安全性，在我司的建议下，客户最终决定采购一整套变频电控系统，将之前的调速系统彻底替换。 提升机系统相关参数： 提升机型号：JK-2�1.8                    卷筒个数：1 卷筒直径：2000 mm                       卷筒宽度：1800 mm 钢丝绳最大直径：24 mm                   最大静张力：60 kN 电动机参数： 电动机型号：YKKPT 5002-8                额定功率：250 kW 额定电压：10000 V                        额定电流：20.6 A 额定转速：740 r/min                       功率因数：0.76    根据电机额定功率，综合考虑电动机功率因数偏低、使用现场2000m海拔等多方面因素，汇川技术提供的变频器型号为HD92-J100/400-RB，完全满足现场使用要求。

图一：绞车滚筒

二、变频改造的必要性     改造之前的提升机电控系统中，电动机采用传统的转子串电阻调速方式，随着电力电子技术的持续发展，该调速方式已经属于非常落后的一种调速技术，面临着被淘汰的局面。该调速方式主要存在以下问题： （1）提升机频繁启动与制动，在加、减速过程中，转子上所串的电阻会产生严重的能耗，浪费大量电能； （2）转子串电阻调速系统中，大量电能消耗在转子所串的电阻上，能量以热的形式消耗掉，导致周围环境温度升高、工作环境变差； （3）转子串电阻调速系统存在控制电路复杂、工作稳定性和可靠性差、缺乏故障诊断功能等问题； （4）启动时冲击电流大，造成很大的机械冲击，大大降低电动机的使用寿命； （5）转子串电阻调速系统属于有级调速方式，调速范围窄，调速精度差，爬行时速度不易控制，特别是在重车下放时，需要动力制动、转子串电阻及制动闸瓦配合操作，绞车司机操作困难，不易控制，安全性能差； （6）转子串电阻调速系统电动机均采用绕线式电动机，存在有滑环接触不良、维护工作量大、维护费用高等缺点。     针对上述问题，矿方经过多方考察生产厂家及现场实际使用情况，最终决定重新采购一套电控系统，电动机采用汇川公司的HD92型四象限高压变频器驱动，彻底替换掉之前使用的调试系统。采用这种新型的电控调速方案，大大提高了整个提升机系统安全可靠性、控制精度及调速性能，在提高用户生产效率的同时，还起到了节能减耗的目的。 三、汇川技术HD92四象限高压变频器拓扑优势     国内市场上绝大多数高压变频器均采用功率单元串联多电平结构，其中，功率单元采用两电平拓扑结构，10kV高压变频器每相由8或9个功率单元组成，整机由24或27个功率单元组成，具有功率单元数量众多，体积大的缺点。根据此种情况，汇川公司创新性的提出了三电平功率单元串联多电平结构，使得每个功率单元具有更高的输出电压，10kV高压变频器整机只需要15个功率单元（6kV整机只需要9个功率单元组成），从根本上减少了功率单元数量，减小了变频器整机体积。10kV高压变频器整机拓扑图如图二：

图二：10kV四象限高压变频器拓扑

    功率单元采用三电平拓扑结构，中心点采用二极管钳位，整个功率单元由AFE整流、直流滤波、逆变三大部分组成，拓扑结构如图三：

图三：功率单元拓扑结构

    当变频器输出转速和输出转矩方向一致时，电机处于电动机状态，此时，功率单元AFE侧从电网获取有更多的功功率，提供给电机转化为机械能；当变频器输出转速与输出转矩方向不一致时，电机处于发电机状态，此时，产生的电能会将功率单元的母线电压抬高，AFE侧迅速将多余的能量回馈到电网。 四、提升机高压变频技术方案     改造内容：现有电控系统全部拆除，重新采购一整套新的绞车系统，其中操作台采用两台可编程控制器，其中一台为主控机负责提升机的主程序，第二台为监控机负责信号打点、语音报警和后备保护，两台PLC有主有从，互有分工，相互监视实现了安全回路的双线制。使用变频器驱动电机，变频器型号为HD92-J100/400-RB，采用远程控制方式，由操作台的PLC将控制指令传送到变频器，控制框图如图四：

    操作台PLC与变频器之间采用硬线连接方式，通过4~20mA模拟量信号调速，驱动电机在0~50Hz范围内运行。具体接口信息如图五所示：

图五：接口信息图

    变频器采用两线式控制模式，通过DI9、DI10两个端口分别控制变频器正、反转，频率给定采用4~20mA模拟量信号，对应变频器输出频率0~50Hz；     变频器控制采用开环矢量控制技术，无需安装编码器作速度闭环控制，可根据电机运行电压及电流自行解耦出电机实时运行状态。 五、变频改造优势 1、节能：相比较于之前的转子串电阻太偶素方式，采用变频调速后，在生产力提升30%的情况下，用电量节约超过20%； 2、系统安全性得到提升：采用变频调速之后，系统能够按照设计的速度曲线自主的进行提升速度的精确控制，降低了系统的操作难度，避免了超速、过卷的发生，极大的提升了整个系统的安全性； 3、功率因数显著提高：功率因数将从转子串电阻调速的0.8左右提高到0.95以上，大大提高了设备对电网容量资源的利用率，减少了因无功电流引起的线路损耗。 4、提高生产效率：改造后，变频器加速时间10s，减速时间10s，大大缩短了每次的提升时间，提高了生产效率。彻底解决了传统系统中用制动闸瓦或电机断电自然减速来操控低速运行时速度波动大、难于控制又不安全的难题。 5、设备维护量减少：在整个提升过程中完全依靠电力牵引与制动，制动闸瓦只需在停车和安全回路保护动作时才进行抱闸，因此，大幅度的减少了闸瓦的磨损。 6、工作环境得到改善：取消了原有的大功率调速电阻，彻底解决了电阻发热导致环境温度高的问题，大大改善了运行现场的工作环境。 7、启动时对电网冲击小：变频器为最好的软启动装置，启动时对电网的冲击小于一倍电流。

图六：变频器启动电流

六、汇川技术HD92四象限独有优势 1、低速运行性能优越：采用磁链闭环矢量控制技术，除具有电流、电压闭环外，还具有磁链闭环的特性，不依赖电机参数，解决了传统矢量控制低频控制效果差的缺点，在低频时依然能够可靠驱动电机，不会出现电机转速波动等情况； 2、无编码器矢量控制：大多数高压变频器厂家在提升机应用上，需在电机轴上安装编码器进行速度闭环控制，在实际应用时，安装编码器非常困难且容易损坏；汇川技术HD92四象限高压变频器采用开环矢量控制，无需安装编码器，实际应用结果表明，汇川变频器在不加装编码器的情况下，控制性能依然优越于大多数厂家； 3、低频大扭矩特性：采用磁链闭环矢量控制技术，具有优越的低频特性，采用开环矢量控制时，在0.5Hz就能够输出150%额定转矩，确保提升机在低速运行时，依然有足够的转矩输出，不会出现拖不动、溜钩、怠速抱闸等现象； 4、启动平滑无冲击：采用磁链闭环矢量控制技术，励磁电流和转矩电流完全解耦控制，在启动过程中，输出电流完全受控，不会出现启动冲击电流； 5、谐波小：采用AFE可控整流，网侧功率因数独立可控，接近于1，且每个功率单元配备有独立的PFC电抗器，确保对电网没有任何谐波污染； 6、体积小：采用了三电平功率单元， 10kV（6kV）整机只需要用15（9）个功率单元，相比较于其他厂家，功率单元数量大大减少，从而减小了整机体积； 七、结束语     通过对原有系统的优化改造，大大改善了煤矿提升机的运行效率，从而在降低机械磨损、冲击的同时，提高了企业生产能力。     汇川技术的HD92四象限高压变频器，采用磁链闭环矢量控制技术，在提升机应用中，可以采用不安装编码器的方案。从实际效果看，运行曲线平滑，完全可以满足使用要求。