一、改造前設(shè)備工況

  礦井提升機(jī)，也稱絞車，是指安裝在地面、借助于鋼絲繩帶動(dòng)提升容器沿井筒運(yùn)行的一種大型提升機(jī)械設(shè)備，是井上和井下的唯一輸送通道。它是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備，以帶動(dòng)鋼絲繩從而帶動(dòng)容器在井筒中升降，完成輸送任務(wù)。現(xiàn)代的礦井提升機(jī)提升量大，速度高，安全性高，已發(fā)展成為電子自動(dòng)控制的全自動(dòng)重型礦山機(jī)械[1]。  

   礦井提升機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動(dòng)系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測(cè)速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成（如圖1），采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖1 舊提升機(jī)系統(tǒng)

   目前大部分大中型煤礦的礦井提升機(jī)都采用繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行分段有級(jí)調(diào)速（如圖2所示）。其基本原理是：當(dāng)繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，串入的電阻越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，控制方便；但其缺點(diǎn)也非常明顯，主要有以下幾點(diǎn)：

1、調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子回路電流很大，大量的轉(zhuǎn)差電能消耗在回路電阻上，造成大量能源浪費(fèi)；

2、調(diào)速性能差，控制系統(tǒng)復(fù)雜，故障率高；

3、啟動(dòng)過程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊大，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)械沖擊，造成設(shè)備使用壽命降低；

4、安全可靠性差，且維護(hù)工作量大、維護(hù)成本高。

圖2 改造前的調(diào)速電阻

圖3 提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)圖

   此豎井提升機(jī)變頻改造項(xiàng)目中，之前采用轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式，在使用過程中存在諸多安全隱患和較差的系統(tǒng)運(yùn)行性能，為提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，在我司的建議下，客戶最終決定采購一整套變頻電控系統(tǒng)，將之前的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)徹底替換掉，采用匯川高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速，避免了嚴(yán)重的機(jī)械磨損，防止較大的機(jī)械沖擊，減少機(jī)械部分維修的工作量，延長提升機(jī)械的使用壽命。采用變頻控制的提升機(jī)，基本上可以獲得與直流電機(jī)相同的調(diào)速和制動(dòng)性能。

系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)：

   根據(jù)電機(jī)額定功率，綜合考慮電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)偏低、使用現(xiàn)場(chǎng)2200m海拔等多方面因素，匯川選用型號(hào)為HD92-F060/500-RN的四象限高壓變頻器，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，不僅實(shí)現(xiàn)平滑的加速、減速和平穩(wěn)的勻速運(yùn)行還達(dá)到了很好的節(jié)能效果。

二、提升機(jī)工藝要求

  提升機(jī)的過程是提升容器在井筒中周期往返運(yùn)動(dòng)，通常以提升容器的運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系來表示其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，稱為速度圖，我們常用的提升系統(tǒng)的速度圖，包括五個(gè)階段，一般稱為五階段速度圖。即：加速階段、勻速階段、減速階段、爬行階段、制動(dòng)階段。提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)速度曲線如下圖所示：

圖4 提升機(jī)運(yùn)行速度曲線圖

   要使提升機(jī)按給定的速度曲線運(yùn)行，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)負(fù)載的變化而自動(dòng)的工作在電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài)。綜合以上提升機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)以及礦山生產(chǎn)固有的特點(diǎn)，提升機(jī)工藝對(duì)提升機(jī)電控系統(tǒng)的要求如下：

1）加（減）速度應(yīng)符合國家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。提升人員時(shí)，加速度a≤0.75m/s 2 ，升降物料時(shí)，加速度a≤1.2m/ s 2。另外不得超過提升機(jī)的減速器所允許的動(dòng)力矩。

2）具有良好的調(diào)速性能。要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿足各種運(yùn)行方式及提升階段（如加速、減速、等速、爬行等）穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

3）有較好的起動(dòng)性能。提升機(jī)不同于其他機(jī)械，不可能等到系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)后再裝加負(fù)載，因此，提升機(jī)必須能夠重載啟動(dòng)，有較高的過載能力。

4）特性曲線要硬。要保證負(fù)載變化時(shí)，提升速度基本上不受影響，防止負(fù)載大小不同時(shí)速降過大，影響系統(tǒng)正常工作(當(dāng)然，當(dāng)負(fù)載超過一定的限度時(shí)，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護(hù)。迅速安全制動(dòng)停車，即所謂要具備挖土機(jī)機(jī)械特性)。

5）工作方式轉(zhuǎn)換容易。要能夠方便的進(jìn)行自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、驗(yàn)繩、調(diào)繩等工作方式的轉(zhuǎn)換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。

三、變頻改造方案

   改造內(nèi)容：原有轉(zhuǎn)子串電阻電控系統(tǒng)及換向切換全部拆除，重新采購一整套新的絞車電控系統(tǒng)，其中操作臺(tái)采用兩臺(tái)西門子可編程控制器，其中一臺(tái)為主控機(jī)負(fù)責(zé)提升機(jī)的主程序，第二臺(tái)為監(jiān)控機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)打點(diǎn)、語音報(bào)警和后備保護(hù)，兩臺(tái)PLC有主有從，互有分工，相互監(jiān)視實(shí)現(xiàn)了安全回路的雙線制。使用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，變頻器型號(hào)為HD92-F060/500-RN，采用遠(yuǎn)程控制方式，由操作臺(tái)的PLC將控制指令傳送到變頻器，控制框圖如下：

圖5 提升機(jī)控制框圖

   操作臺(tái)PLC與變頻器之間采用硬線連接方式，通過4~20mA模擬量信號(hào)調(diào)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在0~50Hz范圍內(nèi)運(yùn)行。具體接口信息如下圖所示：

圖6 端口通信圖

   變頻器采用兩線式控制模式，通過DI9、DI10兩個(gè)端口分別控制變頻器正、反轉(zhuǎn)，頻率給定采用4~20mA模擬量信號(hào)，對(duì)應(yīng)變頻器輸出頻率0~50Hz，變頻器開關(guān)量輸入：10路，繼電器干接點(diǎn)，包括起動(dòng)、停止、手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換、復(fù)位等信號(hào)，開關(guān)量輸出：16路，繼電器干接點(diǎn)，包括變頻器高壓就緒、變頻器運(yùn)行、變頻器故障、變頻器停止、變頻器保護(hù)動(dòng)作等信號(hào)；

   變頻器控制采用開環(huán)矢量控制技術(shù)，無需安裝編碼器作速度閉環(huán)控制，可根據(jù)電機(jī)運(yùn)行電壓及電流自行解耦出電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

四、匯川高壓變頻系統(tǒng)原理

   國內(nèi)市場(chǎng)上絕大多數(shù)高壓變頻器均采用功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，其中，功率單元采用兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，6kV高壓變頻器每相由5或6個(gè)功率單元組成，整機(jī)由15或18個(gè)功率單元組成，具有功率單元數(shù)量眾多，體積大的缺點(diǎn)。根據(jù)此種情況，匯川公司創(chuàng)新性的提出了三電平功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，使得每個(gè)功率單元具有更高的輸出電壓，6kV高壓變頻器整機(jī)只需要9個(gè)功率單元，從根本上減少了功率單元數(shù)量，減小了變頻器整機(jī)體積。6kV高壓變頻器整機(jī)拓?fù)鋱D如下：

                     圖7 6kV四象限高壓變頻器拓?fù)鋱D

   功率單元采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，中心點(diǎn)采用二極管鉗位，整個(gè)功率單元由AFE整流、直流濾波、逆變?nèi)蟛糠纸M成，功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

圖8  功率單元拓?fù)鋱D

   采用AFE整流前端，與傳統(tǒng)的二極管或可控硅整流技術(shù)相比，主動(dòng)前端不再是被動(dòng)的將交流轉(zhuǎn)變成直流，而是具備了很多主動(dòng)的控制功能。

A、具備電網(wǎng)功率因數(shù)調(diào)節(jié)功能，整機(jī)空閑時(shí)可以通過AFE方式調(diào)整電網(wǎng)功率因數(shù)；

B、對(duì)電網(wǎng)無污染，輸入功率因數(shù)高，無需功率因數(shù)補(bǔ)償器；

C、電壓適應(yīng)范圍-20%~15%；

D、能量回饋效率高。

單元輸入端采用PFC能量回饋電抗器：

A、減少回饋時(shí)整流前端電壓尖峰dv/dt對(duì)電網(wǎng)的污染；

B、利用電抗器中儲(chǔ)存的部分能量，可用于提升母線電壓，使母線電壓可控、穩(wěn)定；

C、抑制單元輸入側(cè)諧波電流，改善功率因數(shù)。

當(dāng)變頻器輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩方向一致時(shí)，電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，此時(shí)功率單元AFE側(cè)從電網(wǎng)獲取有功功率，提供給電機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；當(dāng)變頻器輸出轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩方向不一致時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時(shí)，產(chǎn)生的電能會(huì)將功率單元的母線電壓抬高，AFE側(cè)將多余的能量回饋到電網(wǎng)，形成自動(dòng)回饋。

五、變頻改造優(yōu)勢(shì)

1、無啟動(dòng)沖擊電流：采用世界領(lǐng)先的矢量控制方式，在低頻率運(yùn)行時(shí)不需進(jìn)行轉(zhuǎn)矩提升也可以輸出大轉(zhuǎn)矩，在啟動(dòng)過程中無沖擊電流，啟動(dòng)電流小于電機(jī)的額定電流，非常適合頻繁啟動(dòng)的提升系統(tǒng)，單相啟動(dòng)電流的波形圖如下圖所示；

圖9  啟動(dòng)波形

2、編碼器閉環(huán)矢量控制：針對(duì)提升機(jī)精確速度控制和較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求，匯川高壓變頻器帶速度傳感器矢量控制的速度控制精度能達(dá)到0.05％，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)到200％/0hz。完全滿足了提升機(jī)的高精度控制，快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，良好的低頻特性，保證了提升機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，抱閘磨損小，沖擊小。

3、無編碼器開環(huán)矢量控制：提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用的電機(jī)多為繞線式電機(jī)，在電機(jī)軸上加裝編碼器非常麻煩，如果安裝位置稍有不對(duì)，編碼器會(huì)經(jīng)常損壞，影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。匯川高壓變頻器針對(duì)此種情況，特別提出了無編碼器開環(huán)矢量控制方式，無需安裝編碼器，控制效果幾乎與安裝編碼器的效果一致，得到了客戶的好評(píng)。匯川高壓變頻器的磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)是基于電機(jī)d - q軸系數(shù)學(xué)方程，對(duì)電機(jī)的磁鏈、電流進(jìn)行解耦控制，具有磁鏈、電壓閉環(huán)特點(diǎn)?？刂凭雀撸D(zhuǎn)矩響應(yīng)快，低頻特性好，提升機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，抱閘磨損小，沖擊小，完全滿足了不同現(xiàn)場(chǎng)的需要。

圖10  繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)短接及安裝編碼器困難圖

圖11  磁鏈閉環(huán)矢量控制原理圖

3、低頻大扭矩：匯川技術(shù)HD92四象限高壓變頻器采用世界領(lǐng)先的矢量控制技術(shù)，具有優(yōu)越的低頻特性，閉環(huán)矢量200%額定轉(zhuǎn)矩/0Hz；開環(huán)矢量180%額定轉(zhuǎn)矩/0.5Hz。

優(yōu)秀的低頻特性，確保了提升機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，依然能夠有足夠的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行提升，不會(huì)出現(xiàn)溜鉤、怠速報(bào)閘等現(xiàn)象；

4、長壽命設(shè)計(jì)：匯川技術(shù)HD92四象限高壓變頻器全部采用薄膜電容設(shè)計(jì)，使用壽命為普通電解電容的10倍以上，確保了變頻器的使用壽命；

5、無諧波：匯川技術(shù)HD92四象限高壓變頻器采用AFE可控整流方式，可自動(dòng)調(diào)節(jié)功率因數(shù)，使得功率因數(shù)接近于1，并且在每個(gè)功率單元輸入側(cè)均配有PFC專用能量回饋電抗器，對(duì)回饋到電網(wǎng)的電流進(jìn)行濾波，確保對(duì)網(wǎng)側(cè)沒有任何諧波污染；

圖12  HD92四象限高壓變頻器高壓進(jìn)線端電流波形圖

6、節(jié)能： 對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，功率與轉(zhuǎn)速近似成一次線性關(guān)系，即P=K*T*N，從下圖中我們可以看出，傳統(tǒng)利用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的方式，在電阻上消耗了大量能量，如采用變頻調(diào)速裝置改造后，可節(jié)省在電阻上消耗的全部能量。原有的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，在啟動(dòng)和停止過程中，有大量的轉(zhuǎn)差功率消耗在電阻上，造成電能的極大浪費(fèi)，采用變頻器調(diào)速后，可將這部分能量全部省掉。通過現(xiàn)場(chǎng)抄表比較，相比之前的串電阻調(diào)速方式，變頻改造后可節(jié)約電能大約15%；

圖13變頻改造前后節(jié)能對(duì)比

六、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖片

圖14  變頻器放置圖

圖15   控制臺(tái)圖

圖16  系統(tǒng)正常運(yùn)行

圖17  井口圖

七、總結(jié)

   通過現(xiàn)場(chǎng)長時(shí)間的測(cè)試情況來看，匯川HD92-F060/500-RN的四象限高壓變頻器完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的提升機(jī)工藝需求，變頻改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顯著地節(jié)能效果，且能夠改善運(yùn)行工藝，達(dá)到多重改造效果，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益顯著。

匯川技術(shù)有限公司依托多年的自動(dòng)化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)裝備制造業(yè)的變頻測(cè)試系統(tǒng)具有獨(dú)到的方案解決能力，HD9X系列高壓變頻器為采用矢量控制技術(shù)的高性能變頻器，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于冶金、電力、化工、市政、裝備制造業(yè)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。