變頻調速系統在礦山提升機中的應用

楊 濤

0 引言

變頻調速技術是一種以改變交流電動機的供電頻率來達到交流的電動機調速目的的技術。從大范圍來分，電動機有直流電動機和交流電動機。由于直流電動機調速容易實現，性能好，因此，過去生產機械的調速多用直流電動機。但直流電動機固有的缺點是，由于采用直流電源，它的滑環和碳刷要經常拆換，故費時費工，成本高，給人們帶來不少的麻煩。因此人們希望，讓簡單可靠廉價的籠式交流電動機也能像直流電動機那樣調速。這樣就出現了定子調速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速和串級調速方式:由此出現了滑差電機、繞線式電機、同步式交流電機。但其調速性能都無法和直流電動機相比。直到20世紀80年代，由于電力電子技術、微電子技術和信息技術的發展，才出現了變頻調速技術。它的出現就以其優異的性能逐步取代其他交流電動機調速方式，乃至直流電動機調速系統，而成為電氣傳動的中樞。

交—直—交變頻調速系統已在泵類、風機類負載上得到廣泛應用，并且正在大面積推廣。但大多數礦用提升機還在沿用傳統的線繞式異步電動機，用轉子串電阻的方法調速。這種系統屬于有級調速，低速轉矩小，轉差功率大，啟動電流和換擋電流沖擊大，中高速運行振動大，制動不安全不可靠，對再生能量處理不力，斜井提升機運行中調速不連續，容易掉道，故障率高。礦用生產是24 h連續作業，即使短時間的停機維修也會給生產帶來很大損失。礦用提升機的技術改造要求迫在眉睫。但是，不可能把風機、水泵用的變頻器直接應用到提升機上，因為提升類負載對變頻器有著不少特殊的要求:1)起動和制動性能好——快速、平穩和準確的起動和制動。2)全速范圍內都有很好的恒轉矩性能。3)重物下降時(除空載或輕載外)，都依靠自重下降。為了克服重力加速度的不斷加速，電動機必須產生足夠的制動轉矩，使重物在所需的轉速下平穩下降。4)停車距離不得超過吊鉤1 min上升或下降距離的5%，且重物在空中停頓的前后不得有“溜鉤”現象。

1 使用變頻調速系統的優點

1)故障率低，控制靈活。原系統速度和上下方向的變化是由許多接觸器、繼電器系統控制才能實現:其控制復雜，故障率高，維修也很麻煩。采用變頻調速后:控制靈活，系統也大大簡化了;檢測保護性能好、可靠性提高，還可以節約很大一部分電能，節電率都在30%以上。實現了軟啟動、軟停車，減少了機械沖擊，使運行更加平穩可靠。2)調速質量提高原三速電機系統只有三個變化不均勻的速度，對機械和電源有很大的沖擊。變頻器可以用電位器靈活的控制速度，且是無級調速，調速比可達 1∶50。精確度可達1%。3)起動及加速換擋時沖擊電流很小，減輕了對電網的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動強度。運行速度曲線呈S形，使加減速平滑、無撞擊感。4)安全保護功能齊全，除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護外，還設有連鎖保護、自動限速保護功能等。5)設有直流制動、能耗制動及回饋制動等多種制動方式，使安全性更加可靠。6)該系統四象限運行，回饋能量直接回電網，且不受回饋能量大小的限制，適應范圍廣，節能效果更加明顯。7)同時變頻改造后絞車運行的穩定性和安全性都大大增加，因此大大減少了運行故障和維修時間。8)延長了電磁抱閘系統的壽命。

2 礦用提升機變頻調速系統的工作原理

變頻器是通過改變電機定子供電頻率來改變電機的轉速，以實現絞車的調速。交流異步電動機的轉速公式為:

其中，n為電極轉速;f1為定子供電頻率;p為極對數;s為轉差率。

調節了三相交流電的頻率，也就調節了電機轉速。只要平滑地調節三相交流電的頻率，就能實現異步電動機的無級調速，就能使三相異步電動機的調速性能趕超直流電動機。

如圖1所示為交—直—交電壓型變頻調速系統原理圖。

該系統的運行過程主要分為兩個過程:1)絞車電機作為電動機的過程，即正常的逆變過程。該過程主要由整流、濾波和正常逆變三大部分組成，如圖1所示。其中正常逆變過程是其核心部分，它改變電機定子的供電頻率，從而改變輸出電壓，起到調速作用。2)絞車電機作為發電機的過程，即能量回饋過程。該過程主要由整流、回饋逆變和輸出濾波三部分組成，如圖1所示。其中該部分的整流是由正常逆變部分中 IGBT的續流二極管完成。二極管D1和D2為隔離二極管，其主要作用是隔離正常逆變部分和回饋逆變部分。電解電容E2的主要作用是為回饋逆變部分提供一個穩定的電壓源，保證逆變部分運行更可靠。回饋逆變部分是整個回饋過程的核心部分，該部分實現回饋逆變輸出電壓相位與電網電壓相位的一致。因為回饋逆變輸出的是調制波，為保證逆變的正常工作以及減少對電網的污染，增加了一個輸出濾波部分，使該系統的可靠性更加穩定。

鑒于礦區電壓的波動性可能比較大的事實，由于變頻器的回饋條件是要和電網電壓有一個固定電壓差值，假若某時刻電網電壓比較高，再加上回饋時的固定。

電壓差值，此時變頻器的母線電壓就會達到一個比較高的電壓值，如果再有重車下滑，則母線電壓會更高，此時的高電壓就有可能威脅到變頻器的大功率器件的安全，為此，該系統又加了一個剎車部分(如圖1所示)，以保證變頻器的安全。

3 變頻器改造后的經濟效益分析

1)變頻器在低速段運行時節能顯著，由于提升機在井口及井底時都處于低速運行，根據現場情況，一般設置升速點及減速點分別在70 m～100 m，因此其低速運行段大約在140 m～200 m，根據坡長的不同，其低速段約占30%，其綜合節電率約占20%。2)采用變頻控制后，由于設置直流制動，在運行時油閘全敞開，減輕了原工頻控制下的磨損，油閘只是作為一種輔助設施，在電機停穩后或在急停時快速抱閘，根據測算，該項損耗大大降低，每年也可節省2萬元～3萬元。3)原工頻控制采用交流接觸器進行速度段切換，用調速電阻調速，而變頻控制則將其全部甩掉，不但節省了投資，也增加了可靠性，原用接觸器及調速電阻，每2個～5個月即可更換一次，維修費用大，且耽誤生產。4)采用回饋制動，其再生能量回收利用，這也節約了一部分電能。

綜上所述，其綜合經濟效益是十分明顯的。