高压变频器在湖南煤矿提升机上的应用

1、原矿山提升机调速系统简介

沈家湾煤矿隶属于湖南省煤业集团下辖的耒阳市红卫煤业公司。沈家湾煤矿原有一台矿井提升机，提升绞车已有50余年，绞车电机采用串电阻调速方式，绞车机械磨损大，且经常出现故障。因此，矿领导决定对对原绞车系统和电机进行更换。经过多方考察决定，电控系统采用变频调速技术为核心的控制系统，经过招标方式，选择了新风光电子有限公司生产的JD-BP37-300T（300kW/6kV）高压提升机变频器，对该井绞车进行调速控制，2011年11月利用生产间隙进行改造，风光高压提升机变频器一次性成功投入使用，至今运行正常，保障了煤矿安全生产。提升绞车拖动新电机参数如表1所示。

2、新风光高压提升机变频系统介绍

新风光电子公司是国内最早的从事提升机变频器研究的专业厂家。产品电压等级涵盖从380V到10000V，功率等级几十千瓦到几千千瓦。风光提升机变频器为科技部列入国家火炬计划项目，风光高压提升机变频器填补了单元串联式多电平高压变频器不能四象限运行的国内空白，产品技术处于国内领先水平。国家发展和改革委员会发布的国家重点节能技术推广目录中，专门介绍了新风光公司的矿山提升机变频调速节电技术。

风光高压提升机变频器为采用先进的矢量控制技术，可以控制电机在四象限运行，加速时可以实现大转矩输出；而减速时，输出制动转矩，同时，将势能转化为电能，回馈至电网，从而达到节能的目的。矿领导为了考虑留取一定的安全裕量，选用风光JD-BP37-300T（300kW/6kV）高压提升机变频器，对绞车进行拖动。高压提升机变频器具体参数如表2所示。

风光JD-BP37-300T型高压提升机变频器采用进口IGBT为主控器件，采用先进的矢量控制调速技术，以DSP为控制核心，精心巧妙科学的程序逻辑，以彩色液晶触摸屏为人机对话界面，科学人性化的界面语言，全中文的语言显示，便于操作及查询。风光牌高压提升机变频器，即可用于鼠笼式电机也可用于绕线式电机，即可用于新矿井配套安装，也可用于老矿井改造。

风光6kV高压提升机变频器，采用若干个低压逆变器功率单元串联的方式实现直接高压输出，移项变压器有18组付边绕组，每相分为6个功率单元，三相共18个单元，采用36脉冲整流，输入端的谐波成分远低于国标规定。高压提升变频器系统结构如图1所示。功率单元电路如图2所示。

系统控制器核心由高速32位芯片运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。人机界面提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。PLC控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。控制器及各控制单元板中采用先进的单片机等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。

图1高压提升变频器系统结构图

图2功率单元电路结构

另外，控制器与功率单元之间采用多通道光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，并且各个功率单元的控制电源采用一个独立于高压系统的统一控制器，方便调试、维修、现场培训，增强了系统的可靠性。

高压提升变频器是整个电控系统的一个核心部分，它具有与电控系统相适配的各种接口。它接受操作台电控系统的操作命令，同时它又将运行状态，包括工作频率、电机电流、电源电压、电流及故障信息随时送给电控系统。变频器本身又将工作信号及工作状态自动记录以备查阅，依据用户要求连接打印设备，每班数据打印，形成设备报表。变频器的所有输入、输出接口均进行了隔离，避免对变频器引入干扰。当电机处于负力提升时，变频器实时检测进行能量回馈电网。

3、风光高压提升机变频器的突出特点

风光高压提升机变频器除具有普通高压变频器的功能外，还针对绞车控制，具有以下突出特点：

（1）电源输入励磁涌流限制技术：该技术使得系统在每次上高压电时的冲击电流小，对电网的冲击也很小。

（2）系统断电自动保护技术：确保任何情况下系统都能安全运行。如果没有：提升机重载下放过程中，遇到系统停电时，会造成单元损坏甚至整个系统瘫痪。

（3）变频装置为直接高-高结构，直接6kV输入，直接6kV输出，可以直接安装使用，不需要对系统进行任何改造。

（4）功率单元自动旁路技术：在提升机运行过程中，意外出现一个或几个功率单元故障时，系统可以自动将故障单元旁路，系统进入星点偏移控制，保持输出的线电压平衡，同时保持最大输出转矩、电压，完成本次提升任务。

（5）独立的控制电源技术：独立的控制电源技术，系统在不上高压电的情况下可以检测系统各个关键点的波形和调试、培训等，方便用户自行检修和维护。

（6）空载低损耗控制技术：变频系统在待机状态下，空载损耗小，经实测比通用技术产品要低2～3倍。

（7）采用矢量控制技术，电机可四象限运行，具有不施闸悬停和力矩预置技术。

（8）承诺可以现场进行试验：1～2个单元故障可以旁路，完成一个提升循环。提升机满载、全速提升和下放时，电源停电试验，变频器确保不损坏。

（9）风光变频器单元内电解电容因采取了本公司的专利技术（专利号ZL20032017356.2），可将其使用寿命提高一倍。

（10）提升机变频器具有回馈制动、直流制动、安全制动和动力制动等多项制动方式，保证了绞车可靠运行。

（11）具有完备的与电控系统对接的各个接口，实现与绞车电控系统无缝连接。

4、改造过程

改造工程流程如下：先把变频器安装到位，进行主回路线路改造，然后进行操作台的固定安装，连接操作台与变频器之间的连线，调试操作台与变频器的信号传递，正常后把变频器和操作台联入到原操作系统中统调，带重载调试这是改造中的重点部分。整个改造工程流程如图3所示：

图3改造流程图

5、矿井提升机变频改造方案

5.1主回路控制方案

主回路接线原理如图4所示：

图4主回路图

图4中K1、K3为二台高压隔离开关，当高压变频器检修时，保证检修工的人身安全。为了保证安全，变频器高压连跳信号和上一级的高压断路器也实现互锁，变频器高压连跳串入上一级高压断路器的脱扣线圈，变频器出现故障时，上一级的高压断路器断开，实现高压故障连跳功能。

5.2变频器与操作台接口

变频器与电控系统连接框图如图5所示。

（1）开关量输入

系统提供五个多速段输入。

（2）模拟量输出

系统提供两路模拟输出，模拟量输出设定为4～20mA输出电流和4～20mA输出频率。

（3）与操作台远程控制

上提、下放、抱闸（松闸）、安全回路输入、安全回路输出（变频异常）、变频就绪、变频运行、变频报警、故障输出。

图5变频器与电控系统连接框图

电控给变频的信号有：

①正向使能（上提信号）

②反向使能（下放信号）

③电控等外围设备异常急停信号（安全回路信号）

④系统工作闸信号

⑤电控给变频的调速4-20mA模拟信号（或0-5V信号）

变频器给电控的信号有

①变频就绪

②变频运行

③变频报警

④变频器异常（变频器给电控安全回路信号）

⑤电流4-20mA输出

⑥频率4-20mA输出

5.3变频启停操作

启动过程：

（1）电控根据变频的就绪信号确定是否启动（此前绞车的液压系统应完全准备就绪）；

（2）各种绞车开车条件具备后，电控操作主令开关给变频正向使能或者反向使能信号，此时变频开始有输出，输出信号为直流信号，让绞车处于直流制动状态，电机定子电流达到设定的制动电流；

（3）在制动电流的作用下，大约1秒左右后，电控系统通过控制液压系统将控制滚筒的液压闸打开，同时给变频工作闸打开信号，此时变频开始升频率，电机开始进入运转状态；

（4）根据现场速度要求，电控控制主令开关给变频器的速度信号来改变电机的速度和系统的提升速度。

停机过程：

（1）根据速度或停车要求，通过主令开关位置（或自动程序）调节变频器的运行频率，使变频器运行频率逐渐下降，可以让主令开关归零或者低速给定运行；

（2）主令开关归零位后，变频器方向使能信号消失，变频器开始进行降频运行，然后进入电机制动状态，电控通过控制液压系统将控制滚筒液压闸进行抱闸，同时给变频工作闸抱闸信号，变频器停止运行。

6、现场应用情况及效果

改造工程利用煤矿生产间歇进行，风光高压提升机变频器至今已正常运行4年。提升绞车变频改造后，实现了电动机的真正软启动，缩短了提升时间，减少维护工作量，提高了生产效率。大大提高了提升机的安全运行。高压提升机变频器现场运行如图6所示。

图6风光高压提升机变频器现场运行图

变频改造后，提升机绞车运行中主要有如下好处：

（1）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。

（2）实现了无级平滑调速，可在静态或动态任意调整电动机转速，运行平稳，无转差冲击。

（3）提升机加减速过程的平稳控制，运行过程缆绳摆幅明显减小，人员升降舒适性明显提高。

（4）基本无维护工作量，操作简单，减低了维护人员和操作人员的工作强度。

（5）系统具有更完善的软硬件保护环节。

7、结束语

风光高压提升机变频器不仅适用于新矿井控制，也适用于老矿井电控系统改造。提升机经过变频改造，不仅提高了提升系统的安全性和可靠性，而且大大减低了维护费用，运行效率高，实现了高转矩、高精度、宽调速范围驱动，是交流提升机电控系统发展的方向，应用前景广阔。