大型立井提升及低速變頻拖動技術的應用

王錦鵬 趙鯤

摘 要：結合立井提升機拖動要求，本文設計了一種低速同步電動機變頻調速系統，以實現礦山大功率電機調速控制。

關鍵詞：提升機；變頻拖動；雙三電平；數字調節

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.162

1 簡介

立井提升機是礦山企業的咽喉設備，現代大容量立井提升機多采用低速大轉矩電動機直聯拖動方式，存在功率因數低，傳動效率低、諧波含量高易對電網產生諧波污染等缺陷，現逐步被交流拖動所取代。本項目的主要是通過中礦傳動研究成果，將低速同步電動機變頻調速系統國產化并推廣應用，達到降低投資，提高設備安全可靠性和提高運行效率之目的。

2 詳細技術內容

中礦傳動生產的ASCS-8大功率變頻調速系統能夠實現對交流同步變頻電機的控制，采用變頻器為雙三電平，可以實現數字DSP調節，完成PLC網絡控制，并利用局域網實現信息連接，實現上位機診斷與監控。配合其他礦用設備，可實現礦山大功率電機調速控制。

從拓撲結構來看，其主功率回路如圖所示，采用了可控的前端脈寬調制（PWM）整流器，能對相控整流和不控整流缺點進行消除，能實現AC/DC變換性能控制，并完成網側單位功率因數和正弦電流控制，促使能量雙向流動。將功率調至單位功率因數，系統諧波含量可以得到有效減少，減少網絡中的電流紋波和電壓畸變，減少了無功及諧波帶來的附加損耗，運行效率得以提高，實現了“綠色”電能的變換。FLUKE435電能質量分析儀測量的功率、電能以及網側電流諧波含量，實際達到1.48MW，功率因數0.98，諧波含量不超4.2%，符合相關規定。同時PWM整流器的直流母線電壓可控，可實現前端整流器和后級逆變器解耦控制，同時后端的穩定性也得以提高，能在四象限運行的電氣傳動場合得到較好應用。

全數字變頻矢量控制器采用32位數字信號處理器，可進行速度和電流的閉環控制，并進行單位功率因數、變頻矢量控制。

采用高性能矢量控制算法，實現高性能調速，能夠實現網側諧波等系統關鍵指標調控，降低開關頻率、進線電抗，減少電網污染，實現“綠色變頻”。

根據位置給定值，可確定速度給定值。結合軸編碼器反饋得到的實際位置，可對速度給定值進行實時調整，使提升機完設計曲線運行。結合反饋得到的位置值，可確定停車時間。系統采用全數字控制方式，可添加加速度導數實現速度拐角絕對的平滑變化（速度給定曲線為S型），減少設備沖擊和磨損，實現速度的精確檢測和閉環控制。而速度為0，施工作閘停車，不再靠磨閘瓦停車。系統采用高性能的傳動裝置，可對轉矩的靜態精度和動態響應進行確定。通過力矩預置，能避免提升機啟動時下墜，保證設備零速滿載時“懸停”，減小設備受到的沖擊和磨損.

3 創新之處

采用TMS320F2812 DSP高端控制器；采用矢量控制，系統具有快速的動態性能，能滿足各種轉矩需求，且調速平滑無轉矩脈動，在重物下方時可對鋼絲繩泄力做到有償控制；采用的拓撲結構可實現3階輸出，減小電流總諧波畸變率，噪聲小，擁有較好的動靜態性能；系統開關頻率低，同時損耗較小，效率較高；利用AFE變流器，可實現主動四象限運行，最大限度減小諧波含量；在線電機參數辨識和自適應控制，使控制系統具有很高的魯棒性，使用不受場合和環境的影響；無速度傳感器技術的應用，解決了由于速度傳感器安裝不當或精度不夠影響系統性能的問題；無感疊層母線的應用，使主回路結構緊湊，提高了可靠性；諧波含量小；重載懸停功能和重載鋼絲繩自動補償功能實現是采用非線性懸停控制器，可應用于有速度傳感器或無速度傳感器矢量控制或直接轉矩控制系統中。

4 與當前國內外同類研究、同類技術的綜合比較

（1）同步機變頻系統較之直流轉矩響應更好，利用IGBT進行晶閘管的替代，控制周期3.3ms，頻率1kHz。

（2）在低速時，直流系統受電流紋波（3.3ms）影響；而變頻系統可零速全負載懸停。

（3）變頻系統換向火花無過載能力限制，較之直流系統性能更優。

（4）同步電動機采用雙繞組時，與直流電動機電控系統一樣，都可以實現半速全載運行，大大提高了系統運行可靠性。

（5）同步機電控系統具有明顯的節電效果，與老系統相比，節電6776度，節電19.4%，考慮變壓器損耗和線路損耗，實際系統節電超過20%；與直流電控系統比較同樣運行72小時，可節電9%。

（6）重載懸停功能和重載鋼絲繩自動補償功能是其它拖動技術所不具備的。

5 推廣應用情況

集團公司羊場灣煤礦、任家莊煤礦、紅柳煤礦副立井提升機控制設計采用低速同步電動機變頻調速系統，計劃2017年安裝使用。

6 社會效益和間接經濟效益

神華寧煤集團公司金能煤業分公司、金家渠煤礦采用該系統，可配合其他礦用設備實現副立井提升機拖動調速控制。

（1）系統保護齊全，故障率低，能自動平滑的加減速，降低操作難度，避免超速、過卷等故障的發生，杜絕人為失誤帶來的安全隱患。

（2）提高設備舒適性。全程自動化控制，變頻調速連續平滑，人員乘坐十分舒適，機械沖擊小。

（3）無諧波污染，不干擾其它設備。同步電動機采用交直交變頻，功率器件為全控型器件，功率因數0.98以上，輕載時可實現無功補償。采用PWM抑制諧波，滿足國內外標準，無需治理裝置。

（4）全自動加減速，節省了每勾提升時間，提高了產量。具有明顯的節電效果，可節電超過25%，特殊工況下節電更多，比如重物下放時可以把大量電能回饋電網。

（5）中礦傳動國產提升機控制系統與西門子公司的提升機控制系統相比其成本約為進口產品（西門子）的3/4。