單溝提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理與工作過程分析

1. 引言

在礦山企業(yè)的生產(chǎn)中，礦井提升機擔負著提煤、運料的繁重任務，在整個生產(chǎn)中占據(jù)著比較重要的位置。我們山東新風光電子科技發(fā)展有限公司應煤礦的要求，在研制提升機變頻器方面作了相當大的努力。通過不斷的進行技術(shù)革新，成功地開發(fā)了礦山提升機專用變頻器。

礦山提升機專用變頻器，是我公司根據(jù)煤礦機電設(shè)備的改造要求，結(jié)合提升機的運行特點，在普通變頻器基礎(chǔ)上研制生產(chǎn)的一種新型專用產(chǎn)品。該類變頻器最顯著的特點是要求四象限運行，能夠正確合理地處理重物下放及急停情況下地能量回饋問題，這也是該類變頻器地重點及難點。公司的技術(shù)人員根據(jù)這一特點，采用回饋制動、能耗制動或超級電容吸收技術(shù)，成功地解決了這一難題，是國產(chǎn)變頻器中目前能將再生發(fā)電能量回送電網(wǎng)的唯一廠家。該產(chǎn)品自投放市場以后，在無級平滑調(diào)速、運行平穩(wěn)可靠及節(jié)能方面都取得了良好的經(jīng)濟效益與社會效益，深受廣大用戶的青瞇與好評。

單溝提升機變頻器是在雙溝提升機變頻器的基礎(chǔ)上，開發(fā)的另一提升機系列產(chǎn)品之一。單溝提升機的一個最顯著的特點就是回饋能量大，在下放過程中只要離開井口，礦車即拖著電動機靠重力下放，從而超過同步轉(zhuǎn)速而發(fā)電，因而整個下放過程都是處于發(fā)電狀態(tài)，其能量的回饋是相當大的，這也是做好單溝提升機變頻器的難點所在，如何處理好這部分能量，以保證變頻器可靠的工作，是該類變頻器的關(guān)鍵。

我公司利用自己在雙溝變頻器中積累的經(jīng)驗，采用獨立的回饋單元，用同步信號 PWM 控制的方式，較好的實現(xiàn)了發(fā)電的能量回送電網(wǎng)的目的，使變頻器運行平穩(wěn)，安全可靠，并已有數(shù)十臺在現(xiàn)場獲得了應用。從應用效果看，變頻器運行穩(wěn)定，節(jié)能顯著，從而為做好提升機變頻器提供了實踐經(jīng)驗。

2 。 單溝提升機應用變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點

單溝提升機應用變頻調(diào)速技術(shù)，較原控制系統(tǒng)優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個方面：

（ 1）實現(xiàn)了軟啟動、軟停車，減少了機械沖擊，使運行更加平穩(wěn)可靠。

（ 2）調(diào)速連續(xù)方便，可分段予置，連續(xù)調(diào)節(jié)。

（ 3）起動及加速換擋時沖擊電流很小，減輕了對電網(wǎng)的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動強度。

（ 4）運行速度曲線成S形，使加減速平滑、無撞擊感。

（ 5）安全保護功能齊全，除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護外，還設(shè)有連鎖保護、自動限速保護功能等。

（ 6）甩掉了原系統(tǒng)加速用的轉(zhuǎn)子串電阻、交流接觸器及時間繼電器等，提高了系統(tǒng)的可靠性，操作人員的工作環(huán)境也大為改善。

（ 7）設(shè)有直流制動、能耗制動、及回饋制動等多種制動方式，使安全性更加可靠。

（ 8）該系統(tǒng)四象限運行，回饋能量直接回送電網(wǎng)，且不受回饋能量大小的限制，適應范圍廣，節(jié)能效果更加明顯。

3.單溝提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

我們針對單溝提升機的運行工作特點，按照嚴格的工業(yè)標準設(shè)計，制造單溝提升機變頻器，把制動電路、回饋電路、濾波器、線路電抗器和 PLC等集成到變頻器中，增強了整機的可靠性。

單溝提升機變頻器 為交－直－交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)，原理圖如下圖所示。

圖單溝提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)的運行過程主要分為兩個過程：

（ 1） 絞車電機作為電動機的過程，即正常的逆變過程。該過程主要由整流、濾波和正常逆變?nèi)蟛糠纸M成，如上圖1所示。其中正常逆變過程是其核心部分，它改變電機定子的供電頻率，從而改變輸出電壓，起到調(diào)速作用。

（ 2） 絞車電機作為發(fā)電機的過程，即能量回饋過程。該過程主要由整流、回饋逆變和輸出濾波三部分組成，如上圖1所示。其中該部分的整流是由正常逆變部分中IGBT的續(xù)流二極管完成。二極管D1和D2為隔離二極管，其主要作用是隔離正常逆變部分和回饋逆變部分。電解電容E2的主要作用是為回饋逆變部分提供一個穩(wěn)定的電壓源，保證逆變部分運行更可靠。回饋逆變部分是整個回饋過程的核心部分，該部分實現(xiàn)回饋逆變輸出電壓相位與電網(wǎng)電壓相位的一致。因為回饋逆變輸出的是調(diào)制波，為保證逆變的正常工作以及減少對電網(wǎng)的污染，我們加了一個輸出濾波部分，使該系統(tǒng)的可靠性更加穩(wěn)定。

4．單溝提升機變頻器的特點

與雙溝提升機相比，單溝提升機具有回饋能量大的特點，我們采用獨立的回饋單元，按重車滿負荷下放的最大限度來選取制動模塊和回饋模塊。

當電機發(fā)電母線電壓升高時，啟動回饋單元向電網(wǎng)回饋或啟動剎車單元，將能量泄放掉。由于單溝回饋能量大，為保證器件的安全，可同時啟動回饋單元或剎車單元。

這里要注意幾點：

（ 1）剎車界限要調(diào)整適當，該電路應主要以回饋為主，若剎車過早，剎車電阻會長期工作，造成不必要的能耗浪費，剎車電阻也會因長期過熱而損壞，一旦損壞，則后果嚴重，將造成整個變頻器工作的不安全。

（ 2）由于回饋輸出的是經(jīng)過調(diào)制的PWM波形，為了與電網(wǎng)盡量一致，其相位控制相當重要，要保證輸出的波形與電網(wǎng)嚴格同步。另外，必要的LC濾波也是十分重要的，不然，將對電網(wǎng)造成污染，回饋量越大，其濾波系數(shù)也越大。

（ 3）在回饋控制板上有一個顯示接口，從此端接入一個顯示板，可監(jiān)測基準電壓和母線電壓，對安裝調(diào)試比較方便。

5．單溝提升機變頻器的基本控制要求

（ 1 ）運行速度的控制

為了減少運行過程中的機械沖擊，在提升機啟動和停止過程中，做到加速度連續(xù)，因不同的頻率，對應不同的加減速速率，在本裝置的控制中，將不同頻率時的加減速速率規(guī)劃成一個表格，運行中用查表的方法確定對應頻率時的加減速速率，使提升機平滑運行，減少機械沖擊。

（ 2 ）自動限速保護

在運行到終點時，由限速開關(guān)給出減速信號， PLC 檢測到減速信號后發(fā)送給控制器，由控制器啟動自動減速程序，使工作頻率按設(shè)定要求逐步變?yōu)榈退龠\行。提升機帶有測速發(fā)電機，當測速發(fā)電機給出超速信號， PLC 檢測該信號發(fā)送給控制器，進入自動減速運行。

（ 3〕直流制動

主令控制器給出“正轉(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”命令后，如果沒有給出“松閘”信號，變頻器會在電機上施加直流制動轉(zhuǎn)矩，確保松開制動閘過程中重車不下滑。在給 出“松閘”信號后，變頻器開始運行。

制動油泵啟動后，若不小心松開制動閘觸動“松閘”行程開關(guān)，變頻器接收到“松閘”信號，同時在電機上施加直流制動轉(zhuǎn)矩，確保重車不下滑。

當重車在井筒中間停車時，變頻器由高速至停機后，隨之施加直流制動轉(zhuǎn)矩使電機停止轉(zhuǎn)動，當機械制動起作用后，方去掉直流制動，使重車靠機械抱閘的作用停止。

6 。 現(xiàn)場應用

我們在新疆瑪納斯永安煤業(yè)有限公司及內(nèi)蒙古鄂可托旗烏仁都西煤焦有限公司分別安裝了一臺 75KW 和 160KW 的單溝提升機變頻器。 75KW 的是新井安裝， 160KW 的是老井改造，從現(xiàn)場應用看：

（ 1） 75KW 變頻器回饋時可達到 40A 左右的電流， 160KW 變頻器回饋時可達到 80A 左右。變頻器采用回饋方式，即母線電壓比基準電壓高出多少即回饋多少。當高于 700V 左右時啟動剎車單元，讓多余的能量在通過能耗電阻消耗掉，從而保證了主器件的安全。經(jīng)過檢測母線電壓，看不到有較大的電壓波動。

（ 2 ）回饋波形較好。采用適當?shù)?LC 濾波后，用示波器檢測輸入端的波形，比較接近于正弦波，對電網(wǎng)基本造成不了污染，濾波效果較好。

（ 3 ）節(jié)能效果顯著。與工頻比較，就 160KW 提升機而言，原無功電流與有功電流之和大約在 180A 左右。而變頻運行時，基本上測不出無功電流，只有有功電流 80A 左右，單單從電流看即減少了 100A 左右，綜合節(jié)電率可達 30% 左右。

（ 4 ）減少了投資費用。 75KW 提升機由于是新井，直接選用普通的鼠籠式電機，采用變頻即可以平滑的進行調(diào)速，而不用繞線式電機即可。鼠籠式電機比繞線式電機價格便宜 1/3 左右。因此降低了用戶的投資費用，維護起來也比較方便。

（ 5 ）采用變頻調(diào)速后，甩掉了原工頻用的速度段切換交流接觸器及調(diào)速電阻，使工人的操作環(huán)境大為改善，調(diào)速平滑，減輕了對電網(wǎng)及換擋的沖擊，電流變化平穩(wěn)，這是原工頻狀態(tài)所無法比擬的。

7 。 結(jié)束語

礦用提升機采用變頻改造，尤其是單溝提升機的成功實踐，為變頻器在起重設(shè)備上的應用提供了典范。據(jù)國內(nèi)資料顯示，在國產(chǎn)變頻器中，真正使用回饋制動的寥寥無幾。就是變頻器在提升機上的應用也相當少，因此大面積的推廣提升機變頻器，對變頻器的生產(chǎn)來說無疑將會是一個巨大的市場。