交-直-交變頻器在礦井提升機上的應用

閆 偉

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

提升機為綜采工作面的主要提升設備，肩負著煤礦煤炭、矸石、設備以及人員的運送任務。在實際提升任務中需根據運輸對象和重量等對提升速度進行分級調速控制，通過傳統調速系統差異繞線式電機轉子串電阻的方式實現上述功能，該種控制方式雖然設備構成簡單、控制方便，但是其能耗較大且機械特性較軟，而且還屬于有級調速，并不能夠滿足提升機實際提升任務的需求。提升機對應的負載屬于位勢負載，其控制系統要求具有較硬的機械特性，可在滿載狀態下啟動，滿足各種工況的無級調速等功能[1]。本文將交-直-交變頻器應用于提升機的提升任務中，并對其中涉及到的無級變頻調速系統進行設計說明。

1 提升機變頻調速系統性能研究

本文所述的交-直-交變頻器具體指的是ABB ACS6000 直接轉矩控制能量回饋型變頻器，該變頻器的結構如圖1 所示，ACS6000 變頻器其中的關鍵結構包括有PWM 整流器、逆變器、轉矩滯環比較器、磁鏈滯環比較器、扇形判斷器、轉矩模型和勵磁電流模型等。根據控制任務需求，交-直-交變頻器可實現對磁鏈的控制、轉矩的控制和勵磁電流的控制。其中，基于PWM 控制技術實現恒轉矩變頻調速功能，從而滿足提升機在加速提升、等速運行、停車減速以及低速爬行四個階段的運行要求[2]。

圖1 交-直-交變頻器結構示意圖

根據提升機無級變頻調速系統的控制需求，基于交-直-交變頻器的無級變頻調速系統除了核心的ABB ACS6000 直接轉矩控制能量回饋型變頻器外，還包括有整流單元、進線濾波單元、中間直流單元、逆變單元、勵磁整流單元、水冷單元、定子整流單元、勵磁整流單元等。其中，無級變頻調速系統的供電單元為ARU 可逆整流器、采用逆變器實現具體的頻率控制功能、采用同步機完成直接轉矩控制功能[3]。在上述各單元控制的基礎上，保證無級變頻調速系統滿足如表1 所示的性能。

表1 無級變頻調速系統調速性能

2 變頻調速系統傳動系統設計

本節重點對以交-直-交變頻器為核心的無級變頻調速系統中涉及到的傳動系統進行設計，包括脈寬調制整流器、勵磁整流裝置、逆變器等設備的設計，還對變頻調速系統的控制策略進行設計。

2.1 關鍵設備的設計

2.1.1 脈寬調制整流器

脈寬調制整理器的主要任務是對系統的功率因數進行調節，其調節機理為：通過對三相電壓的相位和幅值進行調節，從而實現對電流大小和相位的調節，其控制原理如圖2 所示。

圖2 整流器直流電壓控制原理圖

圖2 中脈寬調制整流器采用直流電壓閉環控制、電流有功分量控制及無功電流閉環控制的理念實現對電壓和電流相位和大小的控制。在實際控制中，只要設置電流為0，即可保證系統輸出功率因數為1。

2.1.2 勵磁整流裝置

勵磁整流裝置的主要功能也是對變頻調速系統的功率因數進行調節控制，其控制路徑為勵磁電流電路和電流控制電路。

勵磁電流電路的核心為勵磁整流變壓器和三相主控橋，該電路輸出的電壓值最高可達到800 V。而本交直交變頻器的無級變頻調速系統的勵磁額定電壓值僅為220 V。也就是說，本系統的勵磁電流電路具有極大的電磁慣性時間常數，可保證勵磁電流隨著定子的變化而實時變化，確保氣隙磁鏈的穩定性[4]。

本系統的電流控制電路為閉環結構，其對應的電路圖如圖3 所示，電流控制電路通過其中的比例積分調節器實現對電路上電流的無靜差調節。控制依據為勵磁電路上經由分流器和隔離放大器A6032所反饋的電流。

圖3 電流控制電路圖

2.1.3 逆變器

逆變器的主要功能是對系統電路對應的輸出電路的高頻分量進行去除。因此，逆變器控制電路包括有主控制器AMC3（對直接轉矩系統中的同步電機進行控制）、帶有DDCS 分配器的傳動控制系統、INT2 接口板、轉速檢測單元（對電機轉速進行監測）、轉子軸角度檢測單元、勵磁電流控制板、輸入輸出口遠程接口站、光通道連接裝置等。

2.2 控制策略的設計

根據《煤炭安全規程》的相關規定，結合提升機的特殊運輸需求，在一般提升工況中將其分為加速提升、等速運行、停車減速以及低速爬行四個階段，對應如圖4 所示。

圖4 提升機變頻調速速度控制曲線

如圖4 所示，a1為加速提升階段的加速度值，一般取a1=0.75 m/s2；a2為停車減速階段的減速度值，一般取a2=1 m/s2。為保證交-直-交變頻器無級變頻調速系統能夠滿足提升機各種工況的控制需求，采用簡單的轉速閉環控制工藝存在一定的轉速跟蹤控制誤差，從而導致提升機停機不及時造成事故的發生[5]。為此，針對提升機的穩定、安全控制需求，采用復合控制方案對提升機的速度進行控制，其對應的復合控制系統如圖5 所示。

圖5 復合控制系統結構框圖

如圖5 所示，復合控制系統是在基本閉環控制系統的基礎上，增加力矩閉環控制系統，實現對提升速度的精確、實時控制。

3 無級變頻調速系統的操作及應用

針對提升機無級變頻調速系統的控制，可通過遠程控制和本地控制兩種方案實施。其中，本地控制模式是對控制柜門上的按鈕和開關進行控制；遠程控制模式為上位機通過控制指令對主斷路器等相關電氣設備進行控制。針對本地控制，可對提升機進行啟動、停機、緊急斷電和相關硬件電路進行操控。

目前，基于交直交變頻器的無級變頻調速系統已經成功應用于屯蘭礦的提升系統中，自投入生產以來：提升機系統可穩定、安全運行，各項控制指令均滿足提升機各工況的提升要求。同時，通過對現場提升機速度和電機電流的監測結果可以得出：提升機的提升速度可按照預期的給定速度曲線運行；其在重載工況下也可穩定運行，系統的輸出功率因數一直可穩定控制在1；在實際應用中，未出現電流沖擊現象，不存在電網諧波污染現象等問題，具有較好的節能效果。

4 結語

提升機作為煤礦的主要提升設備之一，需按照“四階段”給定的速度曲線運行，以保證提升效率和安全性。傳統采用串電阻的調速方式節能效果較差，且僅能實現有極調速，并不能夠滿足提升機的實際生產需求。為此，本文以交直交變頻器為核心設計了無級變頻調速系統，并在綜合控制工藝的支撐下，該無級變頻調速系統具有地諧波、低損耗的優勢。同時，該無級變頻調速系統與傳統調速系統相比不需要引入濾波器、無功補償裝置、熔斷器、斷路器等設備，節約了設備成本和占地面積。總的來講，交直交變頻器在提升機中的應用可極大增加提升系統的提升效率、安全性；具有明顯的節能效果和節約成本的效果，可大力推廣應用。