基于高压变频的矿山节能技术浅析

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[摘 要]交流高压变频控制系统采用先进的功率单元串联叠波技术、矢量控制技术、有源逆变能量回馈技术、可靠性高、性能优越，具有调速范围宽，恒转矩输出，功率因数高、具有100%能量回馈、维修、操作简便。

[关键词]高压 变频 矿山节能

中图分类号：F121 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0303-01

随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅猛发展，由新型器件如：IGBT、JGCT、SGCT、等构成的高压变频器已经获得了广泛应用，大功率传动领域的节能需求得到了释放。高压变频是指输入电压在3KV以上的大功率变频器，主要电压在3000V、3300V、6000V、6600V、10000V等电压等级的高压大功率变频器，由IGBT、JGCT、SGCT、等构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变以及PWM整流。

1、高压变频技术的原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难以解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。其应用的领域和范围也越来越为广范，这使得高效、合理地利用能源（尤其是电能）成为了可能。电机是国民经济中主要的耗电大户，高压大功率电机更为突出，而这些设备大部分都有节能的潜力。大力发展高压大功率变频调速技术，将是时代赋予的一项神圣使命，而这一使命也将具有深远的意义。

以前的高压变频器，由可控硅整流、可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年发展起来的一些新型器件改变了这一现状，如？IGBT、IGCT、SGCT？等等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现？PWM？逆变，甚至是PWM？整流。不仅谐波小，功率因数也有很大程度的提高。高压大功率变频调速装置被广泛地应用于石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢机等。

2、高压提升变频器系统结构

高压提升变频调速器采用最新型IGBT为主控器件，全数字化，彩色液晶触摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标的优质变频调速器，采用先进的矢量控制变频调速技术完成提升机的四象限运行，用于鼠笼式电机或绕线式转子串电阻电机控制，即可用于新矿井安装，也可用于老矿井改造。

高压提升变频器，采用若干个低压逆变器功率单元串联的方式实现直接高压输出，所用的6kv高压提升变频器，变压器有18组付边绕组，分为6个功率单元M相，三相共18个单元，采用36脉冲整流，输入端的谐波成分满足国标规定，高压提升变频器系统结构。

2.1 功率单元电路

每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其主电路结构如图2示，为基本的交-直-交双向逆变电路，通过整流桥进行三相全桥方式整流，整流后的给滤波电容充电，确定母线电压，通过对逆变块B中的IGBT逆变桥进行正弦PWM控制实现单相逆变。当电机进入发电状态后，逆变块B中的二极管完成续流外，又起全波整流，使能量能够转移到滤波电容中，结果母线电压升高，达到一定程度后，启动逆变块A，进行SPWM逆变，通过输入电感，返回到移相变压器的次极，通过变压器将能量回馈到电网。

2.2 输入侧结构

输入侧由移相变压器给每个单元供电，每个功率单元都承受电机电流、1/6的相电压、1/18的输出功率。18个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。

2.3 控制单元

控制器核心由高速DSP和工控PC机协同运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。

光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制（PWM）信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。

信号板采集变频器的输出电压、电流信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护，以及提供给主控板数据采集。

主控板采用数字信号处理器（DSP），运用正弦空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令，实现对电机控制的所有功能。通过RS232通讯口与人机界面主控板进行交换数据，提供变频器的状态参数，并接受来人机界面主控板的参数设置。

3、主要结论

3.1 系统组成结构

①交直交控制结构简单，系统设备较少，

②交直交控制系统采用普通鼠笼电机，电机没有碳刷换向器，维护费用低，使用安全可靠，易于操作管理，具有安全保护功能，可实现电机的免维护运行。

③功率因数，交流变频控制系统负载功率因数高，能耗低、传动效率高。直流控制系统在低速运行时功率因数极低。

④交变频系统安装空间小。

3.2 调速方式比较

与直流控制相比，交直交控制为无级调速系统，恒转矩控制，调速精度高，调速平滑稳定。

交直交控制使用的功率器件 IGBT 比直流调速控制（晶闸管）安全稳定可靠。直流调速随负载增加速度随之降低机械特性较弱。

3.3 性能比较

①低压变频技术

变频器采用先进的功率单元串联叠波技术、矢量控制技术、有源逆变能量回馈技术、可靠性高、性能优越、操作简便。应用于需要四象限运行、需快速制动、动态响应快、低速运行转矩大等。

②对电网造成的压降非常小，几乎是直流控制系统的五分之一。

3.4 节能及投资比较

①节能比较变频采用四象限运行在负力运行时发电回馈电网而直流控制无法做到，可节能20%。

②交流高压变频控制投资487.26万元，直流变频控制投资420万元。

3.5 技术的先进性

交流高压变频控制系统采用先进的功率单元串联叠波技术、矢量控制技术、有源逆变能量回馈技术、可靠性高、性能优越，具有调速范围宽，恒转矩输出，功率因数高、具有100%能量回馈、维修、操作简便，对电网无污染等技术特点。适用于四象限运行、快速制动、动态响应快、低速运行转矩大等的高精度场合。

交流高压变频控制系统具有启动静态恒转矩启动，启动平稳，输出转矩大，调速精度高，动态响应快，四象限运行等优点，网络化控制、操作可实现提升机的运程控制及诊断，可实现提升机的自动化控制。

操作系统、调速系统、监控系统、主井提升信号系统之间通过工业局域网络进行系统通讯及信号交换，并预留与矿山局域网进行联网的接口，具有远程监控功能。该系统硬件配置整洁、功能强大、技术先进、安全可靠、高效节能 。

矿山提升机变频调速系统具有控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点，随着变频调速技术的日益成熟与能源节约要求的必然趋势，它正成为矿山提升机传动的发展方向。