矢量控制變頻技術(shù)在架空乘人裝置中的應(yīng)用

李現(xiàn)政

（兗礦集團貴州能化黔西能源有限公司青龍礦，貴州 黔西 551500）

矢量控制變頻技術(shù)在架空乘人裝置中的應(yīng)用

李現(xiàn)政

（兗礦集團貴州能化黔西能源有限公司青龍礦，貴州 黔西 551500）

架空乘人裝置，俗稱“猴車”，在煤礦中廣泛應(yīng)用于斜巷人員運輸。因其運行的安全性、可靠性直接關(guān)系到職工的人身安全，在對架空乘人裝置的控制要求必須實現(xiàn)安全性、穩(wěn)定性、精確性和舒適性。因此我們在架空乘人裝置的現(xiàn)代化集成數(shù)控系統(tǒng)中采用了能將電機產(chǎn)生的反向電能回饋給電網(wǎng)的高性能四象限運行矢量控制變頻器。不僅解決了一般變頻器的功率電阻問題，而且通過反饋系統(tǒng)節(jié)約了電能。

矢量控制；架空乘人裝置；變頻技術(shù)

1 引言

青龍礦是一個年產(chǎn)120萬噸的現(xiàn)代化煤礦，其現(xiàn)代化程度高、設(shè)備先進，其中就有變頻技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在架空乘人裝置上的應(yīng)用便是一例。架空乘人裝置，俗稱“猴車”，在煤礦中廣泛應(yīng)用于斜巷人員運輸。因其運行的安全性、可靠性直接關(guān)系到職工的人身安全，在對架空乘人裝置的控制要求必須實現(xiàn)安全性、穩(wěn)定性、精確性和舒適性。

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，對架空乘人裝置動力控制的要求向著數(shù)字精確控制的方向發(fā)展，對架空乘人裝置提出了越來越高的要求。要求架空乘人裝置可以與絞車閉鎖；運行更加安全、可靠；可以利用計算機監(jiān)控并實現(xiàn)靜態(tài)上下車；精確定位人員位置防止越位；緊急停車；安全舒適等。而且在節(jié)能減排實現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的今天對系統(tǒng)的工作效益也提出了更高要求。

2 變頻技術(shù)概述

老式架空乘人裝置驅(qū)動部份一般是采用開關(guān)軟啟動方式，調(diào)速方式采用簡單大電阻調(diào)速，甚至不調(diào)速。這兩種方式都達(dá)不到現(xiàn)代數(shù)字集成控制技術(shù)的控制要求。而交流變頻調(diào)速方式其系統(tǒng)的集成化、精確化、數(shù)字化以及低維護等特點卻可以與現(xiàn)代集成控制技術(shù)完美對接。

但交流變頻技術(shù)中單一的V/F恒定控制和簡單的電壓空間矢量控制的方式可控性和精確性仍然滿足不了現(xiàn)代集成系統(tǒng)中數(shù)字化控制中的系統(tǒng)需求。而本單位采用的四象限矢量控制變頻技術(shù)有更高的數(shù)字化性能。其可實現(xiàn)電機精準(zhǔn)控制、可擴展的通訊接口、多位數(shù)字量和模擬量接口、尤其是矢量控制方式的無傳感器特點對工作場所的適應(yīng)能力等，正是這些優(yōu)點保證了架空乘人裝置的控制實現(xiàn)了數(shù)字化控制要求。

架空乘人裝置是在一定傾角的斜巷中運送人員的設(shè)備。在人員上行時，電動機處于消耗電能狀態(tài)；在人員下行時電動機卻處于產(chǎn)生電能狀態(tài)。在一般二象限變頻器控制時，其往往要采取能耗制動的方式，例如加裝功率電阻，但功率電阻的大個頭和產(chǎn)生的高熱量，給整個系統(tǒng)的空間布局和系統(tǒng)散熱帶來了很大的困擾。因此我們在架空乘人裝置的現(xiàn)代化集成數(shù)控系統(tǒng)中采用了能將電機產(chǎn)生的反向電能回饋給電網(wǎng)的高性能四象限運行矢量控制變頻器。不僅解決了一般變頻器的功率電阻問題，而且通過反饋系統(tǒng)節(jié)約了電能。

架空乘人裝置的運行分為兩個部分，一是在人員上行時從供電網(wǎng)絡(luò)中消耗電能，二是在人員下行時產(chǎn)生電能回饋給供電網(wǎng)絡(luò)。在理論上節(jié)約能量是100%的，但由于機械磨擦力、阻尼系數(shù)、電器部件本身的損耗等因素影響，其系統(tǒng)節(jié)能率可達(dá)80%—90%。我礦架空乘人裝置就使用了回饋型四象限矢量控制變頻器技術(shù)。

3 矢量變頻器的結(jié)構(gòu)和工作方式

它由PIU整流單元、VDC控制單元、VDI逆變單元三個單元組成，如下圖。

3.1 整流單元（PIU單元）

此部份由濾波器（L-C-L）、控制開關(guān)和抑流電阻組成。作用是對輸入回路的進出電壓進行波形整定以及為全系統(tǒng)作預(yù)充電。啟動時通過可調(diào)限流電阻的方式對系統(tǒng)的整個直流回路的電容進行慢充電同時命令旁路電阻執(zhí)行工作狀態(tài)。

整個系統(tǒng)輸入電壓范圍寬度小于PIU內(nèi)濾波器（L-C-L）的工作電壓范圍寬度，這樣的好處是：一是有效的濾除了電網(wǎng)的高次諧波，二是提高了電網(wǎng)的利用質(zhì)量。因為當(dāng)變頻器四象限運行時，經(jīng)VDC單元回饋的諧調(diào)電壓波被濾波器（L-C-L）平定為標(biāo)準(zhǔn)正弦波然后再反饋給電網(wǎng)。

3.2 電壓控制單元（VDC）

1）VDC是電壓控制單元，主要由IGBT組成。它有兩種工作狀態(tài)，一是正力矩工作狀態(tài)，將經(jīng)過PIU濾波后的三相交流電源進行整流和控制，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)為VDI逆變器提供穩(wěn)定的DC電源；二是負(fù)轉(zhuǎn)矩工作狀態(tài)，根據(jù)比較輸入的電壓數(shù)值、相序，把DC母線上過剩的電壓經(jīng)過逆變變成三相諧波，再經(jīng)PIU單元調(diào)諧成標(biāo)準(zhǔn)的三相正弦波并回饋電網(wǎng)。

2）VDC單元的控制方式采用多點回饋的方式。通過檢測輸入回路的電壓，根據(jù)實際檢測到的輸入電壓數(shù)值來自動調(diào)整回饋點電壓數(shù)值，直到在回饋的作用下輸入電壓數(shù)值上升到過壓保護的數(shù)值為止。這種回饋方式保證了礦區(qū)電網(wǎng)有大的波動時系統(tǒng)也能安全工作。具體工作方式為：VDC在電網(wǎng)輸入電壓正常時根據(jù)原先設(shè)定的回饋工作點進行工作；當(dāng)檢測到輸入電壓上升導(dǎo)致原回饋點不能滿足回饋要求時，系統(tǒng)將自動將回饋點向上調(diào)整到能滿足回饋要求的回饋點。這樣可以更有效的節(jié)約電能，降低成本。

3）VDC具有LINE CONNECTION TEST 自檢自動保護功能。它能實時自動檢測VDC和PIU之間的連線狀態(tài)，并在檢測過程中發(fā)生連線錯誤時會自動調(diào)整保護等級自動保護VDC，保證不會輕易損傷VDC及其它設(shè)備。在進入工作前VDC 還將實行AC LINE TUNING和DC BUS TUNING即檢測交流回路和直流回路的阻抗值為準(zhǔn)確穩(wěn)定控制VDC的電流和DC BUS的電壓值建立模型，從而保證了為VDI提供準(zhǔn)確穩(wěn)定的電源保證了VDI的穩(wěn)定工作。

3.3 VDI矢量控制逆變單元

架空乘人裝置中要做到安全、可靠、舒適、靜止人員上下、防止越位等，就要求鋼絲繩的運行穩(wěn)定、速度均勻、制動可靠。

前面的直流電在逆變單元經(jīng)過震蕩電路變?yōu)榻涣鳎诮?jīng)過波形處理，最終輸出頻率可調(diào)的交流電供給電機。

4 使用情況

1）安全性能高，故障率低，運行穩(wěn)定。我礦2004年在主斜井安裝一部變頻控制的架空乘人裝置，如今已安全運行10年。又在2013年在二采區(qū)安裝了同樣的矢量變頻架空乘人裝置。使用以來，運行正常，從未有重大故障，日常維護簡單，乘坐舒適，受到廣大職工好評。

2）節(jié)能降耗。由于采用回饋電路，工作中除去機械摩擦，電路損耗，發(fā)熱等，其節(jié)能率高達(dá)85%。以我礦主井架空乘人裝置為例，功率200KW，每天運行18小時，每月運行30天，其每月的節(jié)電率為：200×18×30×85%=91800kwh，以目前工業(yè)用電每千瓦時0.6元計算每月可節(jié)省用電開支91800×0.6=55080元，經(jīng)濟效益明顯。

5 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)的需求，變頻技術(shù)在現(xiàn)代化大型煤礦的應(yīng)用必然越來越廣泛。在人員提升、物料提升運輸中將有越來越多的變頻設(shè)備，如索車、大型絞車、架空乘人裝置等等。新技術(shù)的應(yīng)用必將人們帶來巨大的生產(chǎn)便利，同時也對人們的技術(shù)水平提出了更高的要求，同時也將對煤礦的開采和建設(shè)有著重大和深遠(yuǎn)影響。

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李現(xiàn)政（1983-），男，漢族。2005年畢業(yè)于青島大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)。現(xiàn)在兗礦集團貴州能化黔西能源有限公司青龍礦從事機電技術(shù)工作，助理工程師。