三電平變頻調速技術在立井提升機的應用研究

寧連旭

（山西長平煤業有限責任公司， 山西 高平 048006）

0 引言

目前，我國的煤礦開采正在向著智能化、無人開采的方向發展，立井提升機是煤礦安全生產的重要組成部分，它的工作品質和工作效率是礦山智能化、無人化礦山的重要保證。在21 世紀，世界能源危機日趨嚴重，電機是我國電力消費總量70%左右的重要耗能機電設備，具有廣闊的節能前景[1]。煤礦是我國一種重要的一次能源，礦井提升機等大型電動機設備在開采中消耗了大量的能量。本文介紹了一種基于三電平變頻調速技術的低速直聯電勵磁同步電動機，該系統具有效率高、不需要減速機、維護簡單、對電網沖擊小、能實現四象限工作等優點，具有極其重要的研究價值和工程應用意義。

1 立井提升機組成結構及運行工況分析

1.1 立井提升機系統結構組成

立井提升機是通過鋼絲繩驅動提升集裝箱沿井筒移動，完成物料和人員運輸的機械設備。驅動及其控制與保護系統主要包括主電機、變頻器、電氣控制系統、基于PLC 的保護系統和通信系統。它具有功率大、安全保護要求嚴格、調速精度高等特點。近年來發展的基于低速電勵磁同步電機直連的立井提升機可不使用減速機，有效克服了上述問題[2]。工作機構主要包括主軸裝置和主軸承，制動系統主要包括制動器及其控制裝置，潤滑系統包括潤滑油泵站及其輸送管道，供電系統主要包括礦井電網、變壓器、繼電器等設施，檢測和控制系統主要包括手術臺和深度指示器。輔助部分包括護罩、框架、導輪裝置、框架和槽等裝置。具體結構如圖1 所示。

1.2 運行工況分析

圖2 為立井提升機的工作原理圖及轉速曲線。立井提升機的提升容器在井筒內來回移動，其運動規律可以用提升集裝箱的移動速度與時間的關系來描述，主要包括加速階段、恒速階段、減速階段、爬行階段和停車階段。t1～t2為加速階段，將制動裝置開啟，提升容器的速度從0 上升，離開卸貨軌道，在加速度的基礎上增加到vm；t2～t3段為等速段，在井口內保持起重速度vm；t3～t4是一個減速期，在這個時期，升降集裝箱在井口附近的加載點附近，升降平臺以減速度a3減速；t4～t5是爬行階段，在這個階段，吊車將進入卸貨軌道，起重設備在低速運轉，以減小碰撞；t5～t6是停機階段，在這個階段，機械制動器會制動，提升機停止工作。

圖2 立井提升機運行示意圖與轉速曲線

從以上分析中可以看出，立井提升機的工作過程具有周期性特征，運行過程中電機頻繁啟停與加減速。立井提升機負載屬于勢能性負載，電機運行方向既要求正轉也能夠反轉，某些工況要求運行在電動狀態，某些工況要運行在發電制動狀態。為了保證系統安全、平穩運行、減小機械沖擊并減小鋼絲繩震蕩，煤礦安全規程規定，對于升降人員的副井提升機其加速度不得超過0.752 m/s，對于升降煤炭與裝備的主井提升機其加速度不得超過1.22 m/s。總體而言，立井提升機調速系統要求具備四象限運行的能力，且要求具備精確的調速性能。

2 立井提升機調速控制原理及策略

2.1 三電平變頻器工作原理

目前，礦井提升機調速系統主要采用交流電機，基于大功率電勵磁同步電機（EESM）的低速直驅技術具有效率高、維護簡單、可靠性高等優點。因此，本文選擇其作為研究對象，介紹了礦井提升機的調速原理。基于三電平變頻器驅動的EESM調速系統結構包括礦用交流配電系統、交流電抗器、整流器、逆變器和EESM直驅的機械結構。對于中壓大功率場合，本文采用背靠背的雙三電平拓撲構成交- 直- 交變頻器。

三電平變頻器的輸出端電壓有三種狀態，分別定義為P、O 與N，以a 相為例，4 個帶有反并聯二極管的IGBT（Sa1-Sa4）各狀態對應的開關管通斷情況如表1 所示，其中當上、下母線電容電壓平衡時，上、下母線電容電壓（Vc1與Vc2）大小相同且均為直流母線電壓的一半。為了減小輸出電壓的dv/dt，三電平變換器在工作過程中單相的開關狀態只允許在P 與O 及O 與N 之間相互切換，三電平變換器每相端電壓具有三個狀態，將三相的端電壓狀態組合可形成27 個電壓空間矢量，其結構為一個六邊形結構。當參考電壓信號幅值小于六邊形的內切圓半徑時，三電平變換器可實現電壓線性輸出，三電平變換器能夠輸出的最大相電壓峰值可按照下式計算：

表1 P、O 與N 狀態對應的開關管通斷情況

式中：ulim為三電平變頻器限制電流；Udc為三電平變頻器最大相電壓峰值。

2.2 立井提升機變頻器調速控制策略

基于低速直連EESM 的立井提升機調速系統具有高效、高可靠性、維護簡單的特點，本章以雙繞組EESM為研究對象，通過設計容錯控制方案使得雙繞組EESM在單個變頻器故障時實現容錯控制，可實現立井提升機的半速全載運行。雙繞組EESM包含有兩組Y 型連接的定子繞組，EESM的兩組定子繞組與兩套背靠背的交- 直- 交變換器連接。在其中一套變頻器發生故障時，最簡單的方式是將此臺變頻器直接切除，相應的繞組處于開路狀態，而另外一套變頻器與繞組正常工作。但顯然此種方式的電機帶載能力變為原來的50%，而對于立井提升機滿載運行的工況，此種方式將無法提供足夠的力矩以完成罐籠的提升，提升機處于失控狀態。

為了克服上述缺點，本文研究的容錯控制通過設立容錯控制繼電器以實現在單個變頻器故障時完成EESM兩個獨立繞組的串連，并使用未故障的變頻器同時控制兩個串聯的繞組。故障前后，雖然總定子電流最大值只能為原理的50%，但由于繞組串聯后，定子繞組的磁鏈疊加使得氣隙磁鏈增加1 倍，根據電磁轉矩方程可知此時電機的最大電磁轉矩與故障前相同，但是最大轉速降為額定轉速的1/2。從而實現容錯控制，確保關鍵設備在故障時不停運，有利于提高礦井提升機系統的可靠性。

3 提升機變頻調速抗干擾設計與現場應用

3.1 三電平變頻器層疊母線設計

在三電平變換器的換流期間，主回路中有許多寄生電感，例如電源裝置引線電感、電容引線電感、螺栓連接電感、母線雜散電感等，這些寄生電感會引起IGBT 在切換時產生過電壓尖峰，從而對IGBT 的正常工作產生不良影響，并產生電磁干擾等問題[3]。為了降低三電平變頻器的主回路中的寄生電感，提出了一種由平板導線和絕緣層構成的疊層母線。在三電平變頻器單相橋臂中，有六個等電位連接點，因此單相橋臂共需六塊導流平面，分別為負母線層、上橋臂鉗位層、正母線層、下橋臂鉗位層、零母線層以及輸出層。

如表2 所示為本文設計的三電平變頻器層疊母排的雜散電感測量值，可見本文所設計的層疊母排能夠將雜散電感限制在極小的范圍內，有效解決了寄生電感過大引起的IGBT 瞬態過壓的問題。

表2 三電平變頻器層疊母排的雜散電感測量值

3.2 現場應用情況分析

基于EESM 技術的山西某煤礦立井提升機的變頻調速控制系統，由6 kV 電網、高壓柜、變壓器、進線電抗器、變流柜、雙繞組EESM、液壓站以及PLC 控制柜等組成。三電平整流變頻器的多目標分層預測控制，當EESM在額定功率下工作時，其功率為1 750 kW。由三相端子電壓波形可知，在一個工作頻率循環中，每個相位的電壓跳躍數約為13 次，三電平整流器12個IGBT 的平均切換頻率為267 Hz，切換損失較少。三相電網側的電流波形，其正極性很高，其THD 為4.1%，符合并網的標準。上直流母線的電壓波形和下直流母線的電壓波形是一種均衡的控制，并且它的波動幅度被限定在它的極限范圍內。

實驗結果表明，采用三電平變頻器可以在較低的切換頻率下工作，降低網側的失真率，從而可以有效地降低非線性負荷對電網的影響。采用雙繞組EESM，可以實現低速直接聯接，具有高效率和高可靠性等優點。利用氣隙磁鏈方向進行矢量控制，能夠確保調速系統在穩定、動態特性方面具有較高的效率和可靠性。

4 結語

針對山西煤礦立井提升機系統，以提高生產效率、可靠性和降低電網污染為目標，深入研究了立井提升機的調速原理及參數設計、立井提升機的調速控制策略。通過現場應用，證明了采用交- 直- 交型三電平變頻器的電勵磁同步電動機的低速直驅式立井提升機的速度控制效果良好，三電平變頻器可以在較低的切換頻率下工作，降低網側的失真率，可以有效地降低非線性負荷對電網的影響。采用雙繞組EESM，可以實現低轉速的直接聯接，具有高效率和高可靠性等優點。