汇川技术HD92四象限高压变频器在矿井提升机的应用

      14年4月，汇川技术1台HD92四象限高压变频器成功应用于贵州某煤矿矿井提升机上。该产品有效地解决了使用交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统时，提升机减速和爬行阶段的速度控制性能差、严重耗能等问题，为用户提高生产效率的同时，实现了双重节能效果，并有效利用能源。 一、设备工况       矿井提升机，也称矿井卷扬机、绞车，是指安装在地面、借助于钢丝绳带动提升容器沿井筒或斜坡道运行的一种大型提升机械设备，是井上和井下的唯一输送通道。它是由电动机带动机械设备，以带动钢丝绳从而带动容器在井筒中升降，完成输送任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。现代的矿井提升机提升量大，速度高，安全性高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械[1]。       此提升机变频改造项目中，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掉。

图1 提升机现场图

系统相关参数：

      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1000m海拔等多方面因素，汇川技术选用HD92四象限高压变频器，经实践验证，完全满足现场使用要求。 二、提升机工艺要求       提升机的过程是提升容器在井筒中周期往返运动，通常以提升容器的运动速度与时间的关系来表示其运动规律，称为速度图，我们常用的提升系统的速度图，包括五个阶段，一般称为五阶段速度图。即：加速阶段、等速阶段、减速阶段、爬行阶段、制动阶段。提升机电气传动系统速度曲线如下图所示：

图2 提升机运行速度曲线图

      速度曲线图表达了提升容器在一个提升循环内的运动规律，现简述如下： 1）加速阶段 t1：当斗车离开井底时，以加速度 a1 进行加速，直至到达最大提升速度Vm，约2.7m/s； 2）等速阶段 t2：斗车在此阶段以最大提升速度 Vm 等速运行，直至斗车快要到达井口位置开始减速为止； 3）减速阶段 t3：斗车将要接近井口时，开始以减速度 a3 开始减速； 4）爬行阶段 t4：斗车将到达预定位置时，斗车以0.5m/s的速度爬行； 5）制动阶段 t5：当斗车运行至终点时，提升机系统抱闸停车。       要使提升机按给定的速度曲线运行，电气传动系统应能根据负载的变化而自动的工作在电动或制动状态。综合以上提升机的运行特点以及矿山生产固有的特点，提升机工艺对提升机电控系统的要求如下： 1）加（减）速度应符合国家有关安全生产规程的规定。提升人员时，加速度a≤0.75m/s 2 ，升降物料时，加速度a≤1.2m/ s 2。另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。[2] 2）具有良好的调速性能。要求速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运行方式及提升阶段（如加速、减速、等速、爬行等）稳定运行的要求。 3）有较好的起动性能。提升机不同于其他机械，不可能等到系统运转后再装加负载，因此，提升机必须能够重载启动，有较高的过载能力。 4）特性曲线要硬。要保证负载变化时，提升速度基本上不受影响，防止负载大小不同时速降过大，影响系统正常工作(当然，当负载超过一定的限度时，还要求系统能有效的自我保护。迅速安全制动停车，即所谓要具备挖土机机械特性)。 5）工作方式转换容易。要能够方便的进行自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式的转换，操作方便，控制灵活，不至于因工作方式的转换影响正常生产。 三、变频改造方案       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，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，控制框图如下：

图3 提升机控制框图

      操作台PLC与变频器之间采用硬线连接方式，通过0~10V模拟量信号调速，驱动电机在0~50Hz范围内运行。具体接口信息如下图所示：       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0~10V模拟量信号，对应变频器输出频率0~50Hz； 与高压开关柜联锁信号：

      1）合闸允许：常开接点，闭合有效，此信号串联在供电高压开关柜的合闸回路中，当变频器自检完成或系统处于工频状态时，信号闭合，允许用户合高压电；       2）高压跳闸：常闭接点，断开有效，此信号并联在供电高压开关柜的分闸回路上，当变频器发生重故障或急停信号有效时，分断用户高压电； 变频器DO信号：

以上输出信号全部为独立无源干接点，默认为常开接点，闭合有效，容量大小为250V AC 5A。 变频器DI信号：

以上输入信号仅需客户提供独立无源干接点，脉冲信号，除急停外，其它信号均默认为常开接点，闭合有效； 变频器AI信号：

变频器AO信号：

注：如果有特殊接口需求，可提前与我公司联系，进行定制；       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。 四、高压变频系统原理       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，汇川技术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，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下：

                      图4：10kV四象限高压变频器拓扑图

 图5：实际运行中HMI画面

    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，功率单元拓扑结构如下：

               AFE整流      直流滤波      逆 变   输 出（旁路功能选配） 图6：功率单元拓扑图

      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。 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、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； 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、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，汇川技术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； 8、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； 9、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； 10、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； 七、附录

[1] 参考汇川技术矿井提升机技术方案.2014 [2]《化学矿山安全规程》第一百八十三条 竖井中用罐笼升降人员的加速度和减速度，不得超过０．７５米／平方秒，其最大速度用下列公式的计算值，但不得大于１２米／秒。