摘要：介紹四象限運行高壓變頻器的矢量控制原理，在煤礦副井絞車中的運用，改造，以及節能等效果 關鍵詞：高壓變頻器 煤礦 運用 一、概述 目前礦用交流提升機普遍使用繞線式電機轉子串電阻調速控制系統。在減速和重物下放時能量通過轉子電阻釋放，能量不能回饋回電網，隨著變頻調速技術的發展，交-直-交電壓型變頻調速技術已開始在礦井提升機中應用。HIVERT-YVF06/077大功率變頻器是北京合康億盛科技有限公司研發和生產的高壓交流電機調速驅動裝置。該變頻器采用了先進成熟的低壓變頻技術，以及功率單元串聯疊波、矢量控制技術、有源逆變能量回饋技術等。 二、矢量控制原理 HIVERT-YVF采用轉子帶速度反饋的矢量控制技術。在轉子磁場定位坐標下電機定子電流分解成勵磁電流與轉矩電流。維持勵磁電流不變，控制轉矩電流也就控制電機轉矩。電機轉速采用閉環控制。實際運行中給定轉速與實際轉速的差值通過PID調節生成轉矩電流IT。經過矢量變換將IT、IM變換為電機三相給定電流Ia＊、Ib＊、Ic＊，它們與電機運行電流相比較生成三相驅動信號。控制原理框圖如圖1 [align=center] 圖1 控制原理圖[/align] 1、主回路 HIVERT系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關元件為IGBT。HIVERT變頻器采用功率單元串聯，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術，因而具有很高的可靠性。 [align=center] 圖2 HIVERT-YVF06/077高壓變頻器6kV系列主電路圖[/align] 主隔離變壓器原邊為Y型接法，直接與高壓相接。 組數量依變頻器電壓等級及結構而定，6kV系列為18，延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源輸入。輸入側隔離變壓器二次線圈經過移相，為功率單元提供電源，對6KV而言相當于36脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網側諧波（尤其是低次諧波）的產生。 變頻器輸出是580VAC功率單元六個串聯時產生3450V相電壓，線電壓6000V，輸出Y接，中性點懸浮，得到驅動電機所需的可變頻三相高壓電源。 圖3為6kV六單元變頻器輸出的Uab線電壓波形實錄圖，圖4即為輸出電流Ia的實錄波形圖，峰值電流130A。 [align=center] 圖3 輸出線電壓波形[/align] [align=center] 圖4 輸出電流波形[/align] 2、功率單元 每個功率單元結構上完全一致，可以互換，HIVERT-YVF系列產品具備100%定額功率的能量回饋能力， 功率單元原理見圖5。 [align=center] 圖5 單元結構圖[/align] 圖中：R：三相啟動電阻 K：三相接觸器 C：濾波電容 L：濾波電感 功率單元利用IGBT進行同步整流，同步整流控制器實時檢測單元電網輸入電壓，利用鎖相控制技術得到電網輸入電壓相位，控制整流逆變開關管Q1～Q6所構成的相位與電網電壓的相位差，便可控制電功率在電網與功率單元之間的流向。以a相為例，若要控制a相電流正方向流動且幅值增大，必須使Q2導通，若要控制a相電流反方向流動且幅值減小，必須關斷Q1，使電流通過Q2并聯的續流二極管，當電機處于減速運行狀態或負力提升時，由于負載慣性作用進入發電狀態，其再生能量經逆變器中開關元件和續流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，電容器上的直流電壓達到有源逆變起動的門檻電壓時，自動起動有源逆變，這時逆變相位超前，功率單元將電機及其負載的機械能轉化為電能，回饋到電網中去。 反之則電功率由電網注入功率單元，電功率大小與相位差成正比。電功率的大小及流向由單元電壓決定，就同步整流而言，整流側相當于一個穩壓電源，與電功率大小及方向相對應的電網與逆變相位差由單元電壓與單元整定值之間的偏差通過PID調節生成。 單元逆變輸出由Q7～Q10組成，采用矢量正弦波脈寬調制（PWM）方式，控制Q7～Q10IGBT的導通和關斷，輸出單相脈寬調制正弦波形。 3、控制系統 控制系統由控制器，IO板和人機界面組成。控制器由三塊光纖板，一塊信號板，一塊主控板和一塊電源板組成。光纖板通過光纖與功率單元傳遞數據信號，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發出脈寬調制（PWM）信號或工作模式。單元通過光纖接收其觸發指令和狀態信號，并在故障時向光纖板發出故障代碼信號。 信號板采集變頻器的輸出電壓、電流信號和光電編碼盤信號，并將模擬信號隔離、濾波和量程轉換。轉換后的信號用于變頻器控制、保護，以及提供給主控板數據采集。 主控板采用高速單片機，完成對電機控制的所有功能，運用正弦波空間矢量方式產生脈寬調制的三相電壓指令。通過RS232通訊口與人機界面主控板進行交換數據，提供變頻器的狀態參數，并可網絡化控制。通過主控板和IO接口板通訊來的數據，計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數，并實現對電機的過載、過流告警和保護。通過RS232通訊口與主控板連接，通過RS485通訊口與IO接口板連接，實時監控變頻器系統的狀態。 三、設備改造方案及現場試驗過程 1、設備改造方案 現有設備情況： 改造前副井絞車的設備配置：焦作華飛全數字直流控制臺一臺，兩臺6kv， 630kw主電機，一用一備 （1）、設計利用原有操作臺控制原有電控系統和現用的高壓變頻裝置，利用一臺開關柜可以切換新老系統；用另一臺開關柜可以切換兩臺主電機，主控臺主令手把控制的高速計數器產生的正反向脈沖數值量通過FX2N-4DA數摸轉換為4—20mA電流信號，控制變頻器的運行頻率，主控臺手把的正反向位置控制變頻的正反向啟動與停車。根據煤礦安全規程速度規定，我礦絞車等段速頻率控制在46.66Hz。 （2）、高壓變頻器運行過程中的頻率、電機電流、電壓、各種輕重故障，通過與主控臺PLC的通訊，在操作臺上進行顯示，方便司機與維修工監視絞車的運行狀態與故障記憶。 （3）、我礦副井井筒罐道為組合罐道，絞車在正常停車位置啟動后，罐籠從穩罐道脫離（穩罐道長度5m）后，進入組合罐道以及罐籠在井底從組合罐道脫離進入穩罐道時，銜接時如速度過高容易產生振動以及絞車在停車時，由于閘的空行程停車瞬間對絞車也容易產生振動。為避免上述情況采用方案如下： 通過操作臺PLC編程控制FX2N-4DA輸出，從而控制變頻器在整個運行過程中的運行頻率。在啟動時前5m內頻率自動控制為0.2Hz→2.7Hz速度為0.45m/s；加速段頻率從2.7Hz—46.6Hz，速度從0.45m/s→7.66m/s，加速時間13s；減速段頻率從46.66Hz→2.7Hz，速度從7.66m/s降到0.45m/s，減速時間14秒，確保在距井底5米內速度降到0.45m/s，接近井口1m頻率1.2Hz，速度降為0.2m/s。整個運行曲線如下： [align=center] 圖六 運行曲線[/align] 通過以上偏移控制，絞車整體運行非常平穩。 2、現場負荷實驗數據 （1）、2.3T負載數據：在罐籠上加一個2.3T中的重車，用控制臺低速、半速、全速反復幾次開車，記錄輸出電流和輸出電壓等參數 （2）、4.6T負載數據：在罐籠上加兩個2.3T中的重車，用控制臺低速、半速、全速反復幾次開車，記錄輸出電流和輸出電壓等參數 （3）、11T單鉤提升負載數據：在罐籠上加兩個2.3T中的罐車，用低速單鉤提升的辦法，來檢驗變頻器最大輸出轉矩能否在最特殊的情況下提升。 （4）現場拍攝的速度圖如下 四、技術經濟分析 我礦于2006年10月15日停產檢修期間在副井安裝了一套高壓變頻調速電控系統，現已改造完畢。該高壓變頻調速電控系統在我礦副井投入運行以來，不僅大大提高了副井系統的安全性和可靠性，速度曲線平穩，確保了副井提升機高質量運行，而且其技術性能達到國內領先水平，具有能量回饋電網功能，節能效果顯著。原我礦副井使用交流電控系統每月平均用電量3.1萬度,現使用高壓變頻調速電控系統每月平均用電量2.33萬度,節電0.77萬度，節電率為25%。該裝置可應用于需要四象限反饋、動態響應快、低速運行轉矩大等高精度場合。具有瞬時停電跟蹤功能，實現了高轉矩、高精度、寬調速范圍驅動。低速輸出轉矩大，過載能力強，保護功能齊全，可靠性高，故障率低，維護方便等優點。由于采用了高壓變頻控制技術，整個運行過程平穩，無級調速，乘坐舒適，減少了機械的沖擊，延長了設備使用壽命，產生了非常可觀的經濟及社會效益。礦山提升機變頻調速系統具有控制性能優良、操作簡便、運行效率高、維護工作量小等諸多優點,隨著變頻調速技術的日益成熟與能源節約要求的必然趨勢，它正成為礦山提升機調速的發展方向。