1 引言

　　“豫北明珠”、“河南省文明煤礦”——安陽鑫龍（集團(tuán)）主焦煤業(yè)公司位于安陽縣倫掌鄉(xiāng)境內(nèi)，西鄰大白公路，北接河北磁縣，南望安李鐵路，交通十分便捷。

　　公司現(xiàn)有員工1000多人，生產(chǎn)能力將達(dá)到年產(chǎn)90萬噸，產(chǎn)值增至9億元，實現(xiàn)利稅近3億元，近幾年來，先后獲得“河南省安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化先進(jìn)單位”、全省煤礦“管理創(chuàng)新最佳企業(yè)”、“河南省五一勞動獎?wù)隆?、“安陽市五好黨組織”、“安陽市效益最佳企業(yè)”、“河南省文明煤礦”等諸多榮譽(yù)稱號。公司主要產(chǎn)品為焦煤，屬國家稀有煤種，低磷、特低硫、高發(fā)熱量，用途廣泛。現(xiàn)有地質(zhì)儲量5526萬噸，可采儲量2726萬噸。

　　安陽鑫龍（集團(tuán)）主焦煤業(yè)公司礦用提升機(jī)使用繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行調(diào)速控制。該方法成本較低，但轉(zhuǎn)矩脈動大，電機(jī)電流大，能耗高，且轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制電路復(fù)雜，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)電刷等容易損壞，影響企業(yè)安全生產(chǎn)水平。隨著電力電子與電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，采用變頻調(diào)速的方法可以從根本上解決上述問題。安陽鑫龍（集團(tuán)）主焦煤業(yè)公司領(lǐng)導(dǎo)通過考察國內(nèi)用戶現(xiàn)場使用提升機(jī)變頻器的情形后，決定選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的harsvert-fva06/075型（560kw/6kv）高壓提升機(jī)變頻器，對提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)改造。

2 原繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式的運行特性分析

礦井提升機(jī)通常采用繞線式電動機(jī)作為主驅(qū)動，用于提升或下降重物，具有典型的位能負(fù)載特性，是礦業(yè)的通用設(shè)備。在電機(jī)啟動之初，所有短接開關(guān)處于分?jǐn)辔恢?，所有電阻串?lián)入電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路。當(dāng)電機(jī)加速至一定轉(zhuǎn)速時，閉合最靠中性點側(cè)的短接開關(guān)（圖1中最下端開關(guān)），電機(jī)轉(zhuǎn)子所串電阻減少，隨著電機(jī)進(jìn)一步加速，絞車司機(jī)依次閉合另外幾組短接開關(guān)，直至所有電阻被短接，電機(jī)運行至最高速。

　　電機(jī)減速時，先斷開靠近電機(jī)繞組的短接開關(guān)，而后隨著轉(zhuǎn)速的降低依次斷開另外幾組開關(guān)，直至所有電阻被串入轉(zhuǎn)子回路，進(jìn)入爬行階段，絞車到位后啟動抱閘，同時斷開定子側(cè)高壓斷路器。

　　此運行方式有如下弊端：

　?。?）由于啟動及調(diào)速等方面的需要，通常都是在線繞式電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串接電阻，來改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而降低電機(jī)啟動電流，以實現(xiàn)小范圍的轉(zhuǎn)差變速，去適應(yīng)負(fù)載的突變持性。并實現(xiàn)電動機(jī)的分級調(diào)整。這種控制方式帶來如下弊端：轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費。

　?。?）電阻分級切換，實現(xiàn)有級調(diào)速，設(shè)備運行不平穩(wěn)，引起電氣及機(jī)械沖擊。低速轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)差功率大，啟動電流和換檔電流沖擊大，中高速運行振動大，制動不安全不可靠，對再生能量處理不力，在提升機(jī)運行中調(diào)速不連續(xù)，容易掉道，故障率高。礦用提升機(jī)生產(chǎn)是24h連續(xù)作業(yè)，即使短時間的停機(jī)維修也會給生產(chǎn)帶來很大損失。

　　（3）再生發(fā)電時，機(jī)械能回饋電網(wǎng)，造成電網(wǎng)功率因數(shù)低。尤其在供電饋線較長的應(yīng)用場合，會加大變壓器、供電線路等方面的投資。

　?。?）接觸器頻繁投切，電弧燒傷觸點，影響接觸器的使用壽命，設(shè)備維修成本較高。

　?。?）繞線電動機(jī)滑環(huán)存在的接觸不良問題，容易引起設(shè)備的事故。

3 變頻調(diào)速方式的運行特性分析

　　變頻調(diào)速的運行方式是指將電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組短接，通過變頻器內(nèi)的電力電子器件將工頻電網(wǎng)50hz的電壓轉(zhuǎn)換成其他頻率的電壓，加在電機(jī)的定子繞組上。通過調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的幅值、頻率和相位控制電機(jī)運行在期望的轉(zhuǎn)速上。其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的方式相比，變頻調(diào)速具有電機(jī)電流小、電機(jī)工作平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動小、電機(jī)可控性高、節(jié)能等特點。

　　變頻調(diào)速按照控制方法主要有vvvf控制、滑差頻率控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等，其中，矢量控制能夠通過對電機(jī)的建模運算，實現(xiàn)電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，具有最優(yōu)的控制性能。本文所述harsvert-fva系列高壓變頻器即采用此控制方法，其良好的控制性能，尤其適應(yīng)礦井提升機(jī)負(fù)載的需要。

　　在矢量控制方式下，變頻器能夠根據(jù)測量到的電壓、電流信號，以及事先測得的電機(jī)參數(shù)，根據(jù)內(nèi)建的電機(jī)模型，計算出電機(jī)的磁通位置、磁通幅值、輸出轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速。而后根據(jù)該轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的偏差，對輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，如需要的輸出轉(zhuǎn)矩大于設(shè)定的“最大轉(zhuǎn)矩”，按照最大轉(zhuǎn)矩輸出。

　　與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式相比，在相同的負(fù)載下，加速過程中變頻調(diào)速方式電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動更小，電機(jī)電流更小，低速下從電網(wǎng)吸收的功率更小。這就意味著變頻調(diào)速方式下，電機(jī)老化程度更低，加速更平穩(wěn)，所乘人員舒適性更好，且具有顯著的節(jié)能效果。

4 運行現(xiàn)場情況簡介

　　4.1 harsert-fva系列高壓變頻器基本情況

　　此次變頻改造選用1臺harsvert-fva06/075高壓變頻器，額定電壓6kv，額定電流75a，額定功率560kw。

　　harsvert-fva系列高壓變頻器是北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的新一代能量回饋型矢量控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)首創(chuàng)無網(wǎng)側(cè)電抗器的四象限單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，通過無速度傳感器矢量控制算法對電機(jī)進(jìn)行精確的控制。

　　harsvert-fva系列能量回饋型矢量控制高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜和控制柜組成，主回路結(jié)構(gòu)如圖3所示。激磁涌流抑制柜內(nèi)設(shè)有真空接觸器和限流電阻，限制變頻器高壓上電時的充電電流和激磁涌流不超過其額定電流；變壓器內(nèi)裝有整流變壓器，將網(wǎng)側(cè)高壓變換為副邊的多組低壓，為功率柜中的功率單元（低壓交-直-交變流器）供電，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，各功率單元輸出串聯(lián)構(gòu)成變頻器的高電壓輸出。變壓器柜和功率柜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　功率單元是整臺變頻器實現(xiàn)變壓變頻輸出的基本單元，每個功率單元都相當(dāng)于一臺交-直-交電壓源型單相低壓變頻器。功率單元整流側(cè)用igbt三相全橋可控整流，中間采用電解電容濾波和儲能，輸出側(cè)為4只igbt組成的h橋，如圖5所示。每個功率單元內(nèi)設(shè)dsp高速運算器，進(jìn)行可控整流算法的運算和控制。由于采用可控整流技術(shù)，變頻器的輸入電流具有較高的功率因數(shù)（pf＞0.95）和較低的諧波含量（thd＜4%）。

　　變頻器主控系統(tǒng)通過光纖統(tǒng)一控制各功率單元的輸出側(cè)igbt，使變頻器整機(jī)輸出疊加后的多電平的pwm波形，如圖6所示。該電壓具有很高的正弦度，諧波含量很低。

　　harsvert-fva系列能量回饋高壓變頻器由于采用igbt三相全橋可控整流，具有100%功率的能量回饋能力，在減速制動和下放重車時能夠?qū)⒛芰炕仞佒岭娋W(wǎng)，供其他設(shè)備使用，降低企業(yè)整體電耗水平，尤其適合礦井提升等四象限運行工況需要。

　　變頻器采用先進(jìn)的無速度傳感器矢量控制算法，對電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確的解耦控制，能夠?qū)崿F(xiàn)零速（抱閘狀態(tài)）200%轉(zhuǎn)矩啟動、頻繁快速起停、快速加速、快速制動等功能。

　　harsvert-fva系列高壓變頻器對礦用提升機(jī)負(fù)載進(jìn)行了特殊設(shè)計，其輸出過載能力達(dá)200%/60s，完全能滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需要。

　　4.2 現(xiàn)場變頻改造情況

　　在整個的提升機(jī)系統(tǒng)中，高壓變頻器擔(dān)負(fù)著電氣傳動和調(diào)速的重任，是主控命令的執(zhí)行者，有著頻繁啟動、停止及其加減速的工作模式。當(dāng)主令控制器推離零位后，經(jīng)過可編程控制器的運算發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的模擬量（電壓源和電流源）信號作為高壓變頻器的模擬輸入給定，高壓變頻器按主控臺發(fā)出的給定，按設(shè)定要求輸出對應(yīng)頻率和電壓驅(qū)動電動機(jī)加速運行。隨著高壓變頻器輸出頻率由最低升至最高時，提升機(jī)按設(shè)定的運行曲線加速進(jìn)入等速段，當(dāng)提升容器運行至減速點時，主控臺通過給定信號控制變頻器按規(guī)定要求減速運行，此時變頻器輸出頻率由最高頻率按要求逐漸降為設(shè)定的爬行速度對應(yīng)得頻率（一般為5hz左右），提升機(jī)從正常階段進(jìn)入減速段運行。當(dāng)速度降到設(shè)定的速度時，提升機(jī)進(jìn)入到低速段（爬行段）運行，并保持該速度運行。當(dāng)提升容器運行到卸載位置時，主控臺檢測到容器到位信號后，工作閘回路斷電抱閘