矿井提升机变频技术的应用与发展

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摘要：

本文简要介绍了矿井提升机变频技术的应用与发展，详细分析了整流＋制动单元＋逆变器结构型变频器，整流，回馈单元型变频器，AFE双PWM型变频器等三种变频的优优点缺点及运行的效果，是作者多年应用变频器经验的总结，以此对设计或使用部门对变频器的选用提供指导作用。

关键词：矿井提升机变频应用发展整流单元 制动单元逆变器 回馈单元 AFE

中图分类号：TD534文献标识码： A

矿井提升机是矿井运输的关键设备，是矿山生产的咽喉，它担负着井上，井下的运输任务，它广泛用于煤炭，冶金及其他矿山行业的矿井生产。矿井提升机电控设备的技术水平和可靠性不仅关系到矿井的生产能力和生产计划管理，而且直接关系到井下矿工的生命安全。因此，努力提高矿井提升机电控设备的安全性，可靠性和技术水平是每一个从事矿井提升机电控设备研发,设计，制造和使用及管理的人员共同关心的问题。

随着计算机技术，超大规模电路技术，电力电子技术的发展和应用为提升机电控技术水平的提高插上了腾飞的翅膀，特别是变频技术的发展，使提升机电控技术逐步摒弃了原TKD系统，以变频传动为基础的新型控制模式得以推广使用，使提升机的控制更安全，更可靠，性能更优越，更节能。

1.变频技术的应用

早在上世纪九十年代，提升机电控设备就已经应用了变频传动技术，但主要应用于大型矿井提升机，采用的是交―交变频控制方式。其中设备的制造和调试由于受当时国内技术水平开发能力和元器件的生产水平的限制而大量采用全套引进国外原装设备，调试和现场服务均由国外公司负责。从控制手段上分为模拟量式和全数字式，九十年代以前的设备大部分属于前者，1995年以后开始引进全数字交―交变频装置。主要代表机型有SIEMENS公司的SIMADYND系统和ABB公司的CYCLO系统，从技术上讲更先进，更安全，更可靠，控制精度更高，动态性能更好和调试维护更简单的优点，体现了技术的飞跃发展和进步。

交―交变频系统之所以能够在矿井提升机上推广使用除了它自身具有和直流调速系统相媲美的控制特性外，关键在于交流电机比直流电机从制造到维护都比较容易，特别是大容量设备更是如此。但就其交―交变频系统配置和结构而言是相当复杂，这也影响了它的整体稳定性且要求较高技术水平的人员去维护，在加上投资成本高，阻碍了它的推广应用。

随着电力电子器件的制造技术、基于电力电子电路的电力变频技术、交流电动机的矢量变换技术、直接转矩控制技术PWM或SPWM技术以及计算机控制技术和大规模集成电路技术为基础的全数字化控制技术的快速发展，使交流调速传动控制技术得到了飞跃的发展，在中小容量矿井提升机上交―直―交变频器基本上取代了交―交变频器。

在高压交流调速方面，随着电力电子元器件的耐压等级的提高，交―直―交变频器由原来的高―低―高变频逐步转换为直接高压变频，这样将极大地减少了设备占地面积，提高了设备的效率，降低了能耗，有较好的推广前景。但由于人们对高压交―直―交变频在可靠性方面存在疑虑且目前还没有完全解决提升机电气制动及能量回馈问题，若在提升机的高压变频方面推广交―直―交变频仍需待时日。

在中小功率矿井提升机电控方面，原来的转子串电阻调速方式向低压交―直―交变频方式的转变已十分明显，而且由于交―直―交变频调速的性能可以和直流调速的性能相媲美，在500kw以下的矿井提升机电控系统中，交―直―交变频也有取代直流调速系统的趋势。在低压变频调速系统中完全做到了“零速额定转矩”，实现了起车松闸无下坠现象，保证了提升机的安全，做到了“电气制动时额定力矩”，保证了提升机工艺所需要的 “四象限”运行。使原TKD系统在加速、减速、重物下放时电机的转差功率消耗到电阻上通过发热的方式浪费掉的能量通过“能量回馈”方式返回到电网，达到了节能的目的；做到了“双pwm变频”，不但实现了“能量回馈”而且做到了功率因数为1，使谐波分量降低了1~2个数量级，降低了谐波对电网的污染，净化了电网的质量。因此我们断定中小功率提升机交―直―交变频调速系统将很快会淘汰TKD转子串电阻调速方式和直流调速方式电控系统。

2.变频技术的发展

变频技术的应用经历了三个过程：从最初的整流制动单元型到整流回馈型进而发展到双PWM型，技术趋近完美，性能更优越，更安全，更可靠

2.1 整流+制动单元+逆变器结构（整流单元型变频器）

主回路结构图如图一示：

图一：整流单元型变频器系统结构图

其中：1整流器2 滤波回路3制动单元4逆变器

最初应用的变频器多为整流单元+滤波单元+制动单元+逆变器结构，即将工频电源变换为直流的整流器；吸收由整流器和逆变回路产生的电压脉动的滤波回路，也是储存回路和将直流功率变换为交流功率的逆变器；另外矿井提升机异步电动机需要制动，因此需要配置制动单元。

2.1.1整流器 整流器是二极管三相整流桥，它把工频电源变换为直流电源，电功率的传送是不可送的。

整流电压平均值Ud=1.35Uuv

2.1.2 滤波回路 在整流后的直流电压中，含有六倍于电源频率的脉动电压，此外，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动的电压，对于交―直―交电压型变频器可以省去电抗器而采用简单的阻容滤波回路。

如果考虑到电网的波动率±15%，则电容器上的最大直流电压

Ucmax =1.414×1.15×Uuv。这样，对于～380V电网，则Ucmax可达620V。

2.1.3 逆变器同整流器相反，逆变器的作用是在所确定的时间里有规则的使六个功率开关器件导通、关断，从而将直流功率变换为电压和频率的交流输出功率。逆变器输出为三相交流电压，波形一般采用PWM调制的方式，各相电压互差120 0，三相对称，相电压为阶梯波，线电压为方波（矩形波），输出电流波形接近正弦波。输出电压的交变频率取决于逆变器开关元件的切换频率。

2.1.4制动单元异步电动机在再生制动区域运动时，再生能量首先储存于储能电力电容器中，使直流电压升高。一般来说由机械系统惯量所积蓄的能量比电容器能储存的能量大，中大功率系统需要快速制动时必须设置制动单元和制动电阻，把多余的再生功率消耗掉，以免直流回路电压上升超过极限值。

一般情况下，为了使变频器在电网波动条件下仍能正常工作，制动单元的动作阈值必须大于620 V。一般调整制动单元在≥680 V时动作，而在630 V时停止，这样，制动单元工作的回环宽度为8% 。

制动电阻的计算按下式计算：R=UDC2/0.1047(TB-0.2TM)n1

式中，R为制动电阻(Ω)；UDC为直流回路电压(V) ；TB为制动转矩（N・m）；

TM为电动机额定转矩（N・m）；n1为开始减速时的速度（r/min）。

2.1.5 控制回路 控制回路向变频器主回路提供各种控制信号。主要由以下几部分组成：决定V/F特性的频率电压运算回路，主回路的电压、电流检测回路，电动机的转速检测回路，根据运算回路的结果生成相应的PWM脉冲并进行隔离和放大的PWM生成及驱动回路及变频器和电动机的保护回路。

从逆变器控制性能出发，大体可分为四种模式：无PG速度传感器矢量控制，无PGV/F控制，有PG 矢量控制，有PGV/F控制。在矿井提升机上应用的变频器一般采用适量控制模式。由于这里汇集较多的自动控制理论的内容，故不 概赘述。

采用上述结构的变频器一般采用于早期的提升机控制，其优点是线路简单，价格便宜，曾在一段时间内得到了广泛的使用。但其缺点是：1）存在谐波，对于电网质量产生污染。2）由于采用了电阻制动单元，当电机工作在制动状态下，其能量无法反馈到电网而只能在制动电阻中消耗掉，产生热能白白浪费，不利于节能，因此又限制了它的使用范围。但我们也应该清楚的看到这种变频不论是控制性能还是节能方面仍比转子电阻方式电控系统优越得多，仍不失为转子串电阻方式电控系统的替代产品。

2.2相控整流+逆变器结构（整流、回馈单元型变频器）

主回路结构如图二示:

图二：整流、回馈单元型变频器系统结构图

其中：1整流桥 2 逆变桥 3 滤波回路4逆变器

这种结构的变频器与2.1所述变频器主回路仅在整流器上有差异，其余各环节类同，因此，这里仅介绍相控整流器（整流、回馈单元）。

整流、回馈单元由两组三相全控整流桥直接反并联组成，在整流状态下输出电压极性与直流母线电压极性相同的一组全控桥称之为整流桥，而极性相反的一组全控桥称之为逆变桥。当电动机工作在电动状态时，整流桥工作在整流状态，逆变桥工作在截止状态；能量的传递方式是：电网整流桥直流母线逆变器电机；当电动机工作在制动状态时，整流桥工作在截止状态，逆变桥工作在逆变状态；能量的传递方式是：电机逆变器直流母线逆变桥电网，实现了能量的回馈。

由于整流、回馈单元型变频器可以实现能量的双向流动，特别适合矿井提升机四象限运行方式且大大节能，因此受到人们的推崇。

由于整流、回馈单元型变频器采用三相全控整流桥，输出电压的高低可以通过相控角进行调节而不受电网电压波动的影响，因此整流、回馈单元采用电压―电流双闭环控制方式，以保证直流母线电压的恒定。

变频器采用的控制方式不同，得到的转矩特性也将不同：对于U/F方式，无论是电动状态还是制动运行，直流回路电压均设定在最大值的85%，这样在运行速度85%~100%范围内，制动力矩将损失15% 。而对于矢量控制的闭环控制方式，在电动时网侧正向桥是全控的，中间直流电压可以达到最大值；在制动时中间直流电压约15%，制动力矩也将损失15% 。因此，为了保证在制动状态下、在所有速度范围内均可以达到电机的最大转矩，需要在逆变桥的网侧增设一台自耦变压器，变压器变比为1.2。

整流、回馈单元型变频器的显著优点是节能且效果比较明显，在提升机负载，特别是副井运行时，节能效果可达30%左右，这是它对人们的最大吸引力。但其缺点是结构复杂，造价高，谐波较严重且功率因数低，因此需要进一步改进和发展。

2.3AFE双PWM型变频器

主回路结构如图三示：

图三：AFE双PWM型变频器系统结构图

其中：1AFE整流/回馈单元 2滤波回路3逆变器

这种结构的变频器与前述的两种变频器的差异主要是在前端整流环节，

采用PWM控制方式。其控制电路包括直流电压的电压调节器，以电压波形为基准，提供变频器输入电流瞬时值指令模式信号的功率因数调节器，以及对变流器交流输入电压进行斩波控制的PWM控制器。它既可以作为整流器工作也作为逆变器工作。由于采用了IGBT，通过恰当的PWM控制方式，可对交流电流的大小和相位进行控制，使交流输入电流接近正弦波，并使系统的功率因数总是接近于1。但电机减速制动从逆变器返回的再生功率是直流电压升高时，可以使交流输入电流的相位与电源电压相位相反，以实现再生制动，并将再生功率反馈到电网去。这种变频器概括起来有以下特点：

1）采用IGBT整流元件，采用PWM控制方式，无换向失败现象。

2）因为AFE系统使电网没有谐波，故网侧电流比较小，因而网侧元件的尺寸比通常系统的所用尺寸小，对网侧变压器、电源线及熔断器和开关也同样。

3）通过AFE系统的强大的控制能力获得最佳的系统利用。因为中间回路与电网电压无关而保持恒定，因而系统逆变器和电机电流额定值也比较小。

4）能够4象限运行，实现电动状态和制动状态之间的平滑和快速（数毫秒）过渡，且达到100%再生能量回馈到电网，设备效率高。

5）可以实现单位功率因数（COSφ=1）控制，功率因数高。

6）单桥实现能量的双向流动，结构简单，工作可靠，设备体积小。

该类型变频器由于以上优点越来越受到人们的欢迎并得到大力推广和使用。特别是国家大力号召“节能减排”的今天，其应用前景更加光明。

3.变频技术应用的展望

变频技术在矿井提升机上的应用，在经历了三个阶段的发展后，人们已定位到节能效率高、电网污染小、功率因数高的系统，即AFE控制型变频器。虽然它初期投资略高，但运行成本大大降低，主要表现在电费节省和不必投入谐波治理及功率因数补偿装置节省的费用，仅节省电费一项在一年内就可收回增加的设备投资，从这个意义上讲，AFE双PWM型变频器性价比更高。

从2007年新增设备或技术改造设备总量来看，70%~80%变频器都采用了AFE控制变频器。随着时间的推移和人们投资理念的改变，将会有更大比例的设备采用AFE控制变频器。

随着技术的不断发展，除了交流电机定子变频控制外，国内也在尝试交流绕线电机转子变频控制方式，这样就可以实现通过低压变频器控制高压电机，使原来的TKD系列矿井提升机电气控制设备更新换代，利用变频器调速性能好、节能效率高及性价比高的特点，提高矿井提升机电控制设备的安全性、可靠性和技术水平及操控舒适性，使矿井提升机电气控制设备水平产生一个大的和质的飞跃。

参考文献：1. SIEMENS《SIMOVERT MASTERDRIVES 矢量控制》2003/2004

2. 许崇岳 主编《现代交流调速技术》机械工业出版社