高壓變頻器在煤礦提升系統中的應用

王學紅

（山西煤炭運銷集團陽城演禮煤業有限公司，山西 晉城 048107）

引言

直流調速系統和交流調速系統是目前我國礦用提升機調速系統主要用到的兩種調速方式。隨著科技的進步，變頻技術也在不斷發展，其中多電平交—直—交型變頻技術也開始不斷成熟，由于這種變頻技術的調速性能非常良好，而礦井提升系統正好需要調速性能良好的系統，因此在礦井提升機調速系統中開始大量應用這種變頻器。

1 國產礦用提升機電控調速系統存在的問題

1.1 交流調速系統存在的問題

繞線電機轉子串聯電阻調速方式仍然是目前交流單機、雙機拖動提升機系統主要采用的調速方式，在此調速方式中存在的問題大致可以分為以下幾種：

1）由于此調速方式需要把電阻串聯在轉子回路中，這樣會大量浪費能源。

2）由于此調速為有極調速，有極調速很不穩定，不平穩現象很容易發生。運行過程中很容易發生不平穩的現象，使得機械產生沖擊。此種調速系統在啟動時以及切換調速時沖擊電流都比較大。

3）接觸不良的現象很容易在繞線電機滑環中發生，使設備易發生故障。

4）此調速系統的功率因數相對較低。

1.2 直流調速系統存在的問題

1）直流調速系統只在小功率提升系統中適用。

2）電刷和換向器是直流電機的兩個主要部件，由于結構相對比較復雜，不好制造，相比于交流電機，故障在直流電動機中發生的次數更多，這就造成了直流電動機在維護工作上工作量要大于交流電機，會產生很高的維護費用。

3）直流電動機與交流電動機相比不但體積大而且重量也大。

4）由于晶閘管整流設備是直流調速系統主要部件，這種晶閘管整流設備產生的諧波污染比較嚴重，加之直流調速系統具有的功率很低，這樣很容易造成“電力公害”［1］。

1.3 交—交變頻調速裝置

調速性能好、可實現四象限運行是此類變頻器的主要優點，對所用的電機有特殊要求、會在電網中產生嚴重的諧波污染是此類變頻器的主要缺點。由于其功率因數相對比較低，會嚴重影響到電網上的其他設備，在使用時功率因數補償裝置以及諧波控制裝置必須要加裝在此類調速系統中，這必然會增加系統的總投資。造成系統成本偏高。

2 交—直—交變頻調速的優點

1）由于變頻單元串聯是主要采用的方式，因此d v／d t很小，不會損壞電機的絕緣部位。

2）由于輸入多重化技術使其主要采用的輸入方式，所以沒有多余的諧波對污染電網。

3）由于交—直—交變頻器具有較高的輸入功率因數，所以不會干擾到電網和一些相關的其他設備。

3 交—直—交變頻調速原理

給提升機提供的高壓電源，首先要進行移向和降壓，然后再讓多個IGBT變頻功率單元使用，其中移向和降壓這項工作可以由隔離移向變壓器來完成。此變頻功率單元要為三相輸入單相輸出的電壓源型逆變器，并且最好采用Y形來連接三相，最高輸出相電壓可達到3 480 V，線電壓可達到6 k V。然后再供給連接提升機的高壓電動機，使電機的調速運行能夠順利實現。

為了可以更好地消除各個單元諧波的產生，使交—直—交變頻器真正地不污染電網，建議采用輸入多重化的方式對變頻器進行輸入，具體可以通過制造一個相位差在變頻器功率單元的二次線圈中。這樣可以真正消除交—直—交變頻器的諧波污染。

多電平移相PWM技術是變頻功率單元主要輸出技術，其中多電平移相PWM的實現可通過串聯6個變頻功率單元在每相中。這樣就使得輸出至電機的電壓波形非常接近正弦波，這種變頻器就不會對相關電動機有特殊的要求，使得所有煤礦提升機所用的電動機都適用。

為了達到對網側諧波電流降低的效果，要多重化設計輸入變壓器。

為了更好地對網側電流波形進行改善，提高網側功率因數，不用任何的功率補償裝置和諧波抑制裝置，就可以使網側電能的質量很好地滿足供電部門的需求，可以通過采用多級移相疊加的整流方式實現幾十到幾百個脈沖整流效果，這樣便可以對網側電流的波形進行很好的改善。

輸出側結構：

每相的各個變頻功能單元相互串聯后，連接成Y形的三相，使得輸出側形成一個變壓變頻的高壓輸出，然后再給高壓電動機提供電源。一旦故障出現在某個變頻功能單元時，可以從系統中把出現故障的這個單元的支路拆除，可以在降額的情況下使變壓器繼續工作，這樣可以使變壓器減低一些不必要的停機，最大限度地減少對生產的影響［2］。

交流提升機全數字同步電動機變頻調速電控系統如圖1所示。

圖1 交流提升機全數字同步電動機變頻調速電控系統

以某礦提升機為例，交流提升機電壓6 k V功率475 k W，252 m的井深，13 t為每斗的提升能力，把電阻串聯在交流繞線電機轉子中來調速是原來的調速方式，為了節能和提高其提升能力改造成了變頻調速系統調速，在線監測了改造后的變頻運行方式，并對定子線電壓、相電流的波形進行了實時打印，具體如圖2所示。

圖2 定子線電壓、相電流波形

4 改造后的試驗現象和結果

1）通過觀測發現上提爬行速度全程為0.45 m／s。

2）全程上提重物的時間由原來的80 s降到了64 s。

3）重物在下放過程中勻速、加速、減速個過程都正常平穩。

4）通過重物的上提、下放過程，改造后的變頻提升系統完全能滿足系統運行的需求，并且還可以節省大量的能量［3］。

5 結語

高壓變頻器在煤礦提升系統中的應用不但能使提升機電控調速系統更易操控，而且還能為煤礦企業節約大量的能量。因此變頻調速在礦山提升機節能技術的改造上，應用前景必將十分廣闊。

［1］ 杜文蛟.通用變頻器應用中的諧波問題及其應對措施［J］.農業科技與裝備，2012，35（7）：52-54.

［2］ 趙龍，任一峰，趙敏，等.礦用提升機的變頻調速系統研究［J］.煤礦機械，2011（11）：159-161.

［3］ 胡雪梅，王東升.礦井提升機變頻調速系統改造設計研究 ［J］.電機與控制應用，2011（12）：61-65.