高壓變頻調速電控系統在主井提升機上的技術應用

文/李釗

九里山礦位于焦作礦區東部，太行山南麓，井田面積17.5km2，西距焦作市18km。可采煤層為二迭系山西組二1煤，目前剩余可采儲量5900余萬噸，剩余服務年限40年，礦井核定實際提升能力125萬噸/年。

一、提升概況

九里山礦提升機型號2JK-3.5/1.7-15.5，主電機為YR143/39-12-630KW，提升方式為立井箕斗提升，井筒深318m，提升機使用TKD型電控，提升機屬于交流異步電機轉子串電阻調速提升機類型。

串電阻調速提升機的電控調速屬于逐級切除電阻，用主令控制器逐段切除電阻來達到加速和調速的目的。調速屬有級調速，調速范圍小，調速精度低，調速不平滑，對設備沖擊大，故障率較高，并且爬行速度不易控制，安全性差。采用轉子串電阻調速的電控系統的制動方式為能耗制動，制動所產生的再生電能全部消耗在電阻上，耗電量較大，運行維護量大，維護費用高。

為保證主井提升安全運轉，提高主井提升機安全可靠性，將高壓變頻調速電控技術在主井提升機上進行應用，穩定運行在正轉、反轉、正傳制動發電反饋、反轉制動發電反饋四象限，保護完善，符合《煤礦安全規程》的要求。該系統成功解決了工頻切電阻電控方式的調速不平滑、對設備沖擊大、故障率高、故障查找不易、耗電量較大等問題，保障了主井提升機的安全運轉。

二、主井提升機變頻調速電控系統及技術關鍵

1.主井提升機變頻調速電控系統

九里山礦主井高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主回路開關元件為IGBT。由于IGBT耐壓有限，無法直接逆變輸入6KV，因為開關頻率高，勻壓難度大等技術難題無法完成直接串聯。九里山礦高壓變頻器采用功率單元串聯，疊波升壓，充分利用低壓變頻器的成熟技術，因此具有很高的可靠性。九里山礦主井提升高壓變頻調速器采用新型IGBT為主控器件，全數字化、彩色液晶觸摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能為目標，采用先進的矢量控制變頻調速技術完成主井提升機的四象限運行，用于繞線式主井提升機電機控制。高壓變頻器運用正弦波空間矢量方式產生脈寬調制的三相電壓指令，采用6個低壓逆變器功率單元串聯的方式實現直接6KV高壓輸出；所用的6KV高壓變頻器變壓器用18個副邊繞組，每組分為6個功率單元，共18個單元，采用36脈沖整流，輸入端諧波成分遠低于國家標準規定。

高壓變頻器是整個電控系統的一個核心部分，具有與電控系統相適配的各種接口。它接受電控系統的操作命令，包括開停機，正反轉等，同時將運行狀態，包括工作頻率、電機電流、電源電壓、電流及故障信息隨時傳送給電控系統。變頻器本身又將工作信息及工作狀態自動記錄以備查閱。功率單元的所有輸入輸出接口均進行隔離，也避免給功率單元引入干擾。功率單元具有有源逆變能量回饋功能，當電機處于制動狀態，電容器上的直流電壓達到有源逆變起動的門檻電壓時，電源自動啟動有源逆變，將電機及其負載的機械能轉化為電能回饋到電網中。

操作臺（雙PLC系統和中間繼電器）以彩色液晶顯示屏為主要顯示設備，可以觀察PLC運行情況，閘瓦、過卷、松繩、等速段超速等各外部接點動作狀態，綜合PLC工作狀況可以觀察各模擬量回路狀態等，更加方便維修工作。同時還具有必要的開關量，可以獨立提供必要的提升狀態和數據，其中包括：安全回路指示燈，油壓數字顯示液壓表，減速、故障聲光報警顯示，高低壓表，電流表等。

2.技術關鍵

（1）數字電路實現主井提升機的雙線制運行。

（2）變頻調速實現四象限運行，主井提升機由能耗制動變為制動發電反饋。

（3）采用矢量控制技術，實現低速大轉矩、起動力矩大的目的。

（4）充分發揮PLC的數字化、網絡化及計算功能，使主井提升機具有完善的軟硬保護功能，各主要保護實現雙線型。

（5）滿足主井提升機頻繁啟停要求。

三、九里山礦6KV高壓變頻電控的優勢及特點

九里山礦主井提升機高壓變頻調速電控系統為該類型產品國內首創，在產品功能設計、產品質量保障措施、系統安全設計方面具有以下優勢和特點：

1.主提升機在四象限運行穩定，各項參數優于同類產品。

2.控制系統采用220VAC和高壓主電源6KV，雙回路供電，系統運行可靠，操作更簡便。

3.輸入、輸出諧波含量低，輸入功率因數高，達到96%。采用容抗電路對奇次諧波進行了治理，無需濾波器和功率因數補償，可直接驅動普通電機。

4.更適用于國內電網條件，變頻器工作電壓范圍為Un：-20%～+15%，因此，6KV系統可穩定運行于6900V電壓條件下。

5.限流功能。避免啟動或負載突然變化時，因變頻器輸出電流過大而導致保護動作。

6.操作平臺采用中文顯示觸摸屏系統，運行穩定，易學易用。報警內容語言化，方便使用。

7.結構緊湊，體積小。與國內同容量產品相比，柜體寬度僅為1.302m；完善的上位控制功能；可與DCS系統實現通訊 （采用標準MODBUS通訊規約）或I/0方式連接。

8.冷卻風機采用高壓主電源降壓后直接驅動，風機僅在投運高壓后運行，避免了冷卻風機啟停時對控制系統的影響。

9.功率單元模塊化設計，可以互換，維護簡單；二次接線模塊化設計，現場接線簡單，安裝周期短。

四、主井提升機變頻調速系統運行情況和結論

主井提升機變頻調速電控系統在九里山礦投入運行后，進行了過卷、超速、錯向、編碼器斷線、過載、欠壓、缺相、閘瓦磨損等保護試驗，結果各項保護均能可靠動作，且顯示靈敏正確，達到了設計要求。經檢驗，主井提升機高壓變頻調速電控系統能夠適應提升機頻繁啟動停止的工況要求。

主井提升機高壓變頻電控系統實現了低速大轉矩運行。至今設備運行良好、工作可靠，對電機、減速器及鋼絲繩無沖擊機械損傷，大大提高了系統的安全性能，減速時變頻器自動調速，并根據提升速度，制動閘自動投入，閘皮和閘盤磨損非常小，節電效果明顯，通過變頻調節電機轉速，使電機出力與需求相當，不會造成能量浪費，節省能源，降低了能耗及維護費用。

主井提升機變頻調速電控系統具有控制性能優良、操作簡便、運行效率高、維護工作量小等諸多優點，在調速范圍、啟動特性、動態響應、調節精度、輸出特性、經濟指標和操作監視等各個方面，都優于其他方式。