礦井主提升機高壓變頻調速裝置的研制和應用

杜政委

（山西鄉寧焦煤集團臺頭前灣煤業有限公司， 山西 臨汾 042103）

引言

傳統的礦井提升機調速方法比較落后，存在無法控制機械設備速度的問題，導致其最終的運行效果不佳。而在該種技術支持下的提升機運行速度單一，不能夠以多種速度形態運行，所能夠負載和工作的環境受到限制，經常會因為速度失控而發生安全事故。在電氣傳動技術發展的今天，變頻調速技術也已經取得了突破，人們將該種技術運用到提升機的變頻調速裝置當中，利用該種裝置的設計來穩定提升機的運行狀態，提高提升機的安全施工水準。

1 案例分析

1.1 副井提升電控系統分析

某礦業公司在進行礦井工程時所采用的提升電控系統主要是采用了交流環繞線形式的電機轉子串電阻進行調速，而該系統該包含了華飛公司生產的型號為JTDK-ZN的交流提升電控裝置以及型號為CC5-150N/63的高壓低頻換向裝置。但經過實踐應用了解到，該副井提升系統存在非常明顯的缺陷，其在提升的高度上達到了234.8m，速度也達到8.1m/s。

從上述副井提升電控系統的情況來看，按照煤礦的安全規定規范，該系統存在一定的安全隱患，主要體現在該系統啟動一級停止時，其沖擊力過大，當速度發生變化以后，其切換的過程可能出現失控，超出預期的速度[1]。而根據對該系統的了解，系統還存在故障警報提示不健全的現象，系統當中的裝置部分服務時間已經非常長，一些零件已經出現老化現象，容易發生故障，需要花費大量的精力維修。

1.2 技術改善目標及要求

對于煤炭企業來講，提升機是生產煤炭時所用到的關鍵性設備，尤其是在副井提升方面，需要提升相關的工作人員和材料，承載的重量變化比較大，被用于多種工作環境中，承擔多種形態的重量。如果在煤炭生產中，提升機出現故障，無法正常運作，會造成安全事故或者是為煤炭企業帶來巨大的經濟損失。為了避免上述所出現的提升機問題，煤炭企業積極與電氣企業進行合作，通過技術轉變，研制適合煤炭企業的高壓調配變速裝置，將其安裝到提升機當中，促使提升機可以被運用到惡劣的環境中，也能夠進行四象限運行，還能夠做到能量回饋，讓加速、變頻都符合設備運行要求。

本次設備研制的主要技術就是利用提升機原有的電控系統及其電動機裝置，將其中增加新研究的高壓變頻調速裝置，利用該裝置實現對提升機的調速控制。而在該裝置的輔助下，提升機能更好地切換工作模式，滿足不同礦井的工作環境以及提升機所需要符合的各種重量，也能夠符合國家煤礦安全要求，保障礦井工作的安全穩定。而先進的技術被運用到該電力系統當中，替換了原本老化的零件，減少了需要維修的部位，能量反饋裝置還能夠做到節能降耗[2]。本次運用的關鍵性技術就是矢量控制技術。

2 礦井主提升機高壓變頻調速裝置的設計及在某礦的應用

2.1 工作原理

2.1.1 適量控制技術

在型號為HIVERT-YVF的高壓變頻器當中加入了可以控制速度的矢量控制技術。而該技術主要對轉子磁場的定位坐標中的電機定子進行了分流分解，從而轉化為了勵磁電流以及部分的轉矩電流。變頻器中為了維系勵磁電流的狀態，將會控制其中的轉矩電流從而控制好電機的轉矩。如果該高壓變頻器在實際的運行過程中，已經實現預測了轉速，但該轉速卻與實際的轉速不符，那么變頻器將會利用PID將這種差值逐漸轉化為轉矩電流。在矢量控制技術下，將轉矩電流轉換成為電機三相給定電流，生成三相驅動的信號。如圖1所示。

圖1 控制原理圖

2.1.2 主電路

HIVERT系列的高壓變頻器主要是采用了交流電轉為直流電然后再轉為交流電的直接高壓電流的方式，變頻器當中的主要電路開關為IHBT，而受到該電路開關的耐壓性限制，無法直接輸出6 kV或者是10 kV的電壓。該開關的頻率比較高并且幾乎無法均壓，該種情況導致變頻器的主電路無法直接進行串聯[3]。該型號的變頻器主要是利用功率單元串聯的形式來完成，再經過疊波生涯以后，其能夠更加嫻熟的利用常壓變頻器，從而提升主電路串聯的可能性，如圖2所示。

而該種狀態下的隔離變壓器具有免維護的優點，其使用壽命更長。受到功率單元串聯的形式會促使電源變壓器出現相位差的影響，單個功率所引起的諧波電流大部分被消除掉，而該種變頻器的諧波電流將會小于國家所要求的5%標準，能夠最大限度接近1輸出功率因數。

圖2 主電路圖

高壓變頻器的輸出電壓主要是在三相輸入與單相輸入的低壓功率經過串聯之后得到的。而在變頻器額定輸出電壓為580 V的情況下，利用單元六個串聯的形式連接主電路，產生3 450 V的相電壓，如表1所示。

表1 變頻器功率單元配置

2.2 系統配置

為了促使高壓變頻調速的相關裝置更加完善，技術人員在研制該高壓變頻器的時候還將數字技術融入到設計當中，利用其中1臺高壓變頻裝置作為主要的驅動裝置，再安裝各個類型的傳感器用于采集設備運作時所產生的數據，對狀態數據進行分析和計算，而主控臺則負責調配工藝的標準并且下達保護指令。整個系統當中，關于變頻調速方面的設計以及轉子串電阻調速的相關設備都會包含在內，并且可以相互之間進行切換，從而確保該系統更加便于維修、運行更加安全可靠。

2.3 經濟效益

上述研制出的高壓變頻調速裝置在制造成功以后，積極參與到各項試驗當中，并且在煤礦產業的某礦井停工以后，及時安排時間進行了安裝，在現場的調試和設備運作中，發現該設備能夠滿足各種工況條件，所達到的技術效果比較突出。該設備在實際運行過程中，最大頻率能夠達到46.66 Hz，最大的轉速也達到了7.6 m/s，該數據能夠符合國家煤礦安全標準，消除了原本老設備的安全隱患。而利用該種設備運作的提升機，能夠快速的完成速度調控，精準度較高，降低了調速過程中的沖擊力度，減少了設備運行當中的安全隱患。

3 結語

在高壓變頻器的研制方面，需要用到很多現代化控制技術，在矢量控制技術的支持下，新的提升機設備不僅具有了在各種工況下都能夠正常運轉的特點，還能夠保障對轉矩進行控制，適當節約能耗。而在提升機提升速度或者是提升重物的情況下，還能夠獲得能量回饋，同時確保了系統的安全穩定性。

參考文獻

[1]張立，李雙六，劉法允，等.IGCT在礦井提升機變頻調速系統中的應用[J].煤礦機械，2012，33（4）：190-191.

[2]郭文，黃光亮.高壓變頻調速裝置在葛店煤礦主提升機中的應用[J].礦山機械，2011，39（9）：130-131.

[3]陳涌，沈立明.礦井主提升機高壓變頻調速裝置技術運用[J].中國新技術新產品，2011（1）：143.