GBP-H高壓變頻電控技術在孟莊煤礦副井斜巷提升中的應用

黃東

概述

孟莊煤礦副井提升系統是礦井生產的重要環節，通過對其電控系統進行技術改造，使系統運行更加穩定、可靠、高效，取得了良好的安全效益和經濟效益。

孟莊煤礦副井提升機型號為XKT1×2×1.5B-20單滾筒纏繞式提升機；拖動設備選用JRQ148-8?型電機，單機拖動。于2009年進行過技術改造，電控系統更換GBP-H高壓變頻控制，進一步提高了電控系統的控制性能和可靠性。

一、?原電控系統概況及存在的問題

孟莊煤礦副井提升機原電控系統為TKD型，存在的最主要問題是：

①提升機在減速和爬行階段的速度控制性能差，經常造成停車位置不準確；

②提升機頻繁的起動、調速和制動，在轉子外電路所串金屬電阻上產生相當大的功耗，消耗電能造成能源浪費，金屬電阻發熱嚴重導致工作環境溫度升高，設備老化加快。

③系統功率因數低，電阻分級切換，采用有級調速，啟動電流及切換電流沖擊大，設備運行不平穩，引起電氣及機械沖擊；容易掉道，故障率高；

④控制線路復雜，工作穩定性和可靠性差，缺乏故障診斷功能，排查故障困難，接觸器頻繁投切，電弧燒傷觸點，影響接觸器的壽命，設備維修成本較高；

⑤?該系統的電氣控制部分均采用板式結構、高壓接觸器室，空間體積大、運行噪聲高，且所有接線端柱裸露在外，對運行安全造成極大的威脅。

⑥整個控制過程完全依賴工作人員的主觀控制，存在安全隱患。

二、 ?技術改造原則與方案

2.1?技術改造總原則

目前，國內礦用提升機調速系統有直流調速系統和交流調速系統兩種。

以晶閘管整流設備為基礎的直流調速系統的諧波污染嚴重，功率因數低，如采用直流調速系統，需將現有提升電機更換為直流電機，相應增加改造成本，而直流電機較交流電機故障率高，維護工作量大且費用高。因此，對電控調速系統進行改造升級不建議采用直流調速系統。

以高壓變頻器結合PLC為核心的交流調速技術已比較成熟且在部分單位取得了較好的運行效果，可實現正轉、反轉、牽引、電制動等功能，完全滿足提升所需要的四象限運行的負載調速需要。

最后決定采用GBP-H高壓變頻器交流控制方案。

2.2?技術改造方案

技術改造方案具體內容為：將原有的轉子串電阻的調速方式改為變頻變壓的調速方式，采用專用高壓變頻器實現。

首先，為保證供電可靠性更換兩臺電源柜，采用了森源的V-12型斷路器、和南自的電機綜合保護器，為新電控的安全運行又增加了安全保障。

然后，將原電控拆除換成了GBP-H高壓變頻設備，GBP-H高壓變頻調速柜由移相隔離變壓器柜、功率單元柜和控制柜三部分組成。變頻器采用先進的功率單元串聯疊波技術、矢量控制技術、有源逆變能量回饋技術，可靠性高、性能優越、操作簡便。可實現四象限運行、帶能量反饋、動態響應快、低速運行轉矩大的電動機驅動特性。

三、工作原理

3.1主電路

GBP系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關元件為IGBT。GBP系列變頻器采用功率單元串聯，疊波升壓，充分利用當今變頻器的成熟技術，因而具有很高的可靠性。

變壓器原邊輸入為變頻器相應電壓等級電壓，Y形接法；副邊繞組數量依變頻器電壓等級及整機結構而定，采用延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源輸入。

為了最大限度地抑制輸入側諧波含量，同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相，繞組間的相位差由下式計算：

60o

移相角度= ——————

每相單元數

由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，所以GBP系列變頻器輸入電流的總諧波含量（THD）遠小于國家標準5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數。圖3.1.1為6kV系列（每相六單元串聯）輸入電流實錄波形，幾近完美的正弦波。

圖3.1.1輸入電流波形

變頻器輸出是將多個三相輸入、單相輸出的低壓功率單元串聯疊波得到，表1列出了GBP系列變頻器功率單元配置。

表1：GBP-H系列變頻器功率單元配置

相輸出Y接，中性點懸浮，得到驅動電機所需的可變頻三相高壓電源。圖3.1.2為6kV變頻器系列的電壓疊加示意圖。

圖3.1.2 GBP-H-6kV電壓疊加圖

圖3.1.2為六個580VAC功率單元串聯時，每個功率單元輸出的電壓波形及其串聯后輸出的相電壓波形示意圖，可以得到﹢6～0～-6共13個不同的電平。增加電平的同時，每個電平的電壓值大為降低，從而減小了dv/dt對電機絕緣的破壞，并大大削弱了輸出電壓的諧波含量，圖3.1.3為6kV六單元變頻器輸出的Uab線電壓波形實錄圖。因為電機電感的濾波效果，輸出電流波形更優于電壓波形，圖3.1.4即為輸出電流Ia的實錄波形圖。電壓等級數量的增加，大大改善了變頻器的輸出性能，輸出波形幾乎接近正弦波。

圖3.1.3 輸出線電壓波形

圖3.1.4 輸出電流波形

3.2功率單元

四象限功率單元，原理圖見圖3.2.1，采用通過光纖接收信號，正弦波脈寬調制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT的導通和關斷，輸出單相脈寬調制波形。每個單元僅有三種可能的輸出電壓狀態，當Q1和Q4導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為1；當Q2和Q3導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為-1；當Q1和Q2或者Q3和Q4導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為0。輸出電壓波形見圖3.1.3。

圖3.2.1GBP-H系列功率單元主電路圖

四象限功率單元與單相限功率單元相比，主要是整流部分的結構組成和原理有所不同，輸入電源端R、S、T接電抗器三相輸出端，電抗器三相輸入接變壓器二次線圈的三相低壓輸出，整流部分既可以為直流環節提供電能，又可以將直流環節多余的電能輸送到電網。

3.3控制系統

控制系統由控制器、PLC控制盤和人機界面組成。

控制器由三塊光纖板，一塊信號板，一塊主控板，一塊從控板，一塊電源板和一塊母板組成。光纖板通過光纖線與功率單元傳遞數據信號，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發出脈寬調制（PWM）信號或工作模式。單元通過光纖接收其觸發指令和狀態信號，并在故障時向光纖板發出故障代碼信號。

信號板采集變頻器的輸入輸出電壓、電流信號，并將模擬信號隔離、濾波和量程轉換。轉換后的信號用于變頻器控制、保護，以及提供給主控板數據采集。

主從控制板采用DSP，完成對電機控制的所有功能，運用正弦波壓頻控制方式產生脈寬調制的三相電壓指令。通過RS232通訊口與人機界面主控板進行交換數據，提供變頻器的狀態參數，并接受來自人機界面主控板的參數設置。

人機界面為用戶提供友好的操作界面，負責信息處理和與外部的通訊聯系，采用了上位機監控而實現變頻器的網絡化控制，利用上位機可以實現PLC程序更改、運行過程監控。通過主控板和PLC控制盤通訊來的數據，計算出電流、電壓、運行頻率等運行參數，并實現對電機的過載、過流告警和保護。

PLC控制盤用于變頻器內部開關信號以及現場操作信號和狀態信號的邏輯處理，增強了變頻器現場應用的靈活性。

四、性能分析

⑴充分發揮了PLC的數字化、網絡化及計算功能，使提升機具有更完善的軟硬件保護功能，各主要保護實現雙線制。

⑵生產效率進一步提高能，可靠的按系統設計的最短時間加、減速，顯著縮短了一次提升時間，提高了生產效率。

⑶提高了功率因數，降低了無功功率。由于采用了先進的隔離移相變壓器技術和電壓源型IGBT?逆變技術，在克服了傳統變頻器對電網的諧波干擾的同時，主傳動系統的功率因數將由目前的0.89?提高到0.97?以上，大大提高了設備對電網容量資源的利用率，減少了因無功電流引起的線路損耗。

⑷提高系統運行的可靠性、安全性。由于電壓和頻率均連續可調，電動機的起動電流可得到有效控制，轉矩沖擊不再存在，明顯地減少原有的有級調速系統容易出現的齒輪箱等設備的機械故障。

⑸系統實現自動化提升，單元串聯脈寬調制疊波輸出，輸出波形幾近完美的正弦波，不會因為諧波力矩而降低設備使用壽命。提升機系統安全得以提高，系統能自動高精度地按設計的提升速度圖控制提升速度，極大地降低了提升機的操縱難度；減速時電力制動自動減速，提升機司機無需再用施閘手段控制提升機減速，自動減速和停車，避免了減速、過卷事故的發生，消除了安全隱患。

五、效果

改造后，新電控系統的安全性能符合《煤礦安全規程》規定，高壓變頻技術具有良好的節能效果，調速平穩，高效安全，自2009年5月3日投入運行至今，一直運行良好，未發生一起電氣安全事故，為礦山的安全穩定提供了有力保證。

新的GBP-H高壓變頻器交流控制系統，四象限功率單元整流部分獨特的結構組成和原理，提升機上提重物時整流部分可以為直流環節提供電能，提升機下放重物時又可以將直流環節多余的電能輸送到電網，節能十分顯著，經測算節能30％以上，節能經濟效益巨大，值得普及推廣。

作者簡介：黃東（1973.11.08），男，漢族，安徽淮北人。皖北煤電孟莊煤礦助理工程師、副科長，研究方向為電氣自動化及應用。

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。