工控自动化应用方案：HARSVERT-FVA系列高压变频器在煤矿提升机的应用

HARSVERT-FVA系列高压变频器在煤矿提升机的应用

摘要：变频改造是矿井提升领域节能、安全技改的主要手段。本文分别对采用绕线式异步电机转子串电阻调速方式和变频调速方式的提升机系统的运行特性进行分析，结合开滦（集团）蔚州矿业公司南留庄煤矿提升机变频改造的现场，介绍提升机系统变频改造相关技术，以及HARSVERT-FVA系列能量回馈型高压变频器在矿井提升系统上的应用情况。
关键词：矿井提升机、高压变频器、矢量控制、能量回馈

一、引言
　　在矿井的各动力设备中，提升机系统是最为重要、耗能最大的设备。提升机运行的可靠性直接影响矿井的产能和人员、设备升降井速度，直接关系到矿井的安全生产水平；同时提升机的调速方式也是对吨煤电耗水平影响最大的因素。
　　长期以来，矿用提升机普遍使用绕线式异步电机转子串电阻的方法进行调速控制。该方法成本较低，但转矩脉动大，电机电流大，能耗高，且转子串电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，影响企业安全生产水平。随着电力电子与电机控制技术的发展，采用变频调速的方法可以从根本上解决上述问题。

二、绕线式异步电机转子串电阻调速方式的运行特性分析
　　此方式通过切换交流接触器或者可控硅，在电机的转子回路串入不同阻值的电阻，起到调速运行的作用。根据实际工况不同，一般电阻分成4-8级，每级设有短接开关，如图1所示（图中为4级电阻调速系统）。

图1：异步电机转子串电阻调速系统电路图

　　在电机启动之初，所有短接开关处于分断位置，所有电阻串联入电机的转子回路。当电机加速至一定转速时，闭合最靠中性点侧的短接开关（图1中最下端开关），电机转子所串电阻减少，随着电机进一步加速，绞车司机依次闭合另外几组短接开关，直至所有电阻被短接，电机运行至最高速。
　　电机减速时，先断开靠近电机绕组的短接开关，而后随着转速的降低依次断开另外几组开关，直至所有电阻被串入转子回路，进入爬行阶段，绞车到位后启动抱闸，同时断开定子侧高压断路器。
　　根据电机学原理，异步电机在转子串联不同数量的电阻情况下的输出转矩（即电磁转矩）与转速的关系曲线如图2所示，图中纵轴为电机的转速与额定转速之比，横轴为电机的输出转矩与额定转矩之比，图2中的5条曲线由上至下依次是串联0至4级电阻时电机的转矩-转速特性曲线。串联的电阻越多，低速下的输出转矩越大，高速下的输出转矩越小。
　　电机在串联不同电阻时的定子电流与转速的关系曲线如图3所示，电机从电网吸收的有功功率随转速的变化曲线如图4所示。

图2：转子串不同电阻时电机输出转矩与转速关系曲线

图3：转子串不同电阻时电机定子电流与转速的关系曲线

图4：转子串不同电阻时电机功率与转速的关系曲线

　　在加速过程中，一般采用转矩最优的控制方式，即在转矩-转速特性中串不同电阻曲线的交叉点处切换短接开关，此方式下，电机在加速过程中能获得最大的输出转矩，且开关动作前后电机的输出转矩连续变化。这一控制一般由绞车司机人工实现，也有系统用PLC自动控制完成。此控制方式下电机的转矩-转速曲线如图5中黑色粗线所示，图5中彩色细线与图2相同；图6为电机定子电流与转速关系曲线，黑色粗线为上述开关切换控制方式下的实际曲线，彩色细线与图3相同；图7为电机从电网吸收的有功功率与转速关系曲线，黑色粗线为上述开关切换控制方式下的实际曲线，彩色细线与图4相同。
　　图中不难看出，在上述控制方式下，电机的加速过程近似为恒转矩加速过程，电机输出转矩为1.8-2.1倍额定转矩；在加速过程中，提升机系统消耗的有功功率在2-2.2倍额定功率间变化，即使在低速时，由于串入电阻耗能巨大，电机虽然输出功率不大，但其从电网吸收的有功功率仍为额定功率的2-2.2倍；图9中，黑色粗线与图8相同，为电机从电网吸收的有功功率随转速变化的曲线，蓝色细线为电机输出的轴功率与定转子绕组损耗之和，二者之差为串联电阻所消耗的功率。图中不难看出，在高速段，由于串入的电阻较少，因此电阻上损耗所占比例不大，但在低速段，如电机的爬行阶段和加速起步阶段，电网提供的绝大部分功率被电阻所消耗，浪费了大量的能源。

图5：转矩最优控制方式下，转子串电阻调速转矩-转速特性曲线

图6：转矩最优控制方式下，转子串电阻调速定子电流-转速特性曲线

图7：转矩最优控制方式下，转子串电阻调速功率-转速特性曲线

图8：转矩最优控制方式下，电机从电网吸收功率与必要功率随转速变化曲线

　　上述控制方式下，虽然电机能够输出最大的加速转矩，但在加速过程中电机电流较大，约为2-3倍额定电流。因此在负载较轻时，有时为了降低加速时的电机电流，绞车司机会适当提高各开关动作时的电机转速，在电流降至额定电流时切换短接开关，此时电机的输出转矩、定子电流和从电网吸收的有功功率随速度变化的曲线如图9-12所示。
　　图中可以看出，这种控制方式下，中速以上加速过程电机电流有所减小，约为1-1.7倍额定电流，电机的输出转矩也有所降低，约为1-1.7倍额定转矩，且脉动增加，开关动作前后输出转矩有大幅跳跃，电机消耗的功率有所下降，但由于加速转矩较低，加速时间较长，实际加速过程所耗电能并未减少。由于加速转矩较低，因而此控制方法不适用于重载提升场合。
与转矩最优控制方式类似，在低速爬行阶段和加速的初始阶段，电网提供的电能的大部分由电阻消耗，电能浪费严重。

图9：额定电流切换控制方式下，转子串电阻调速转矩-转速特性曲线

图10：额定电流切换控制方式下，转子串电阻调速定子电流-转速特性曲线

图11：额定电流切换控制方式下，转子串电阻调速功率-转速特性曲线

图12：额定电流切换控制方式下，电机从电网吸收功率与必要功率随转速变化曲线

三、变频调速方式的运行特性分析
　　变频调速的运行方式是指将电机的转子绕组短接，通过变频器内的电力电子器件将工频电网50Hz的电压转换成其他频率的电压，加在电机的定子绕组上。通过调节变频器输出电压的幅值、频率和相位控制电机运行在期望的转速上。其电路结构如图13所示。

图13：变频调速方式系统接线图

　　与转子串电阻调速的方式相比，变频调速具有电机电流小、电机工作平稳、转矩脉动小、电机可控性高、节能等特点。
　　变频调速按照控制方法主要有VVVF控制、滑差频率控制、直接转矩控制、矢量控制等，其中，矢量控制能够通过对电机的建模运算，实现电机磁通和转矩的解耦控制，具有最优的控制性能。本文所述HARSVERT-FVA系列高压变频器即采用此控制方法，其良好的控制性能，尤其适应矿井提升机负载的需要。
　　在矢量控制方式下，变频器能够根据测量到的电压、电流信号，以及事先测得的电机参数，根据内建的电机模型，计算出电机的磁通位置、磁通幅值、输出转矩和电机转速。而后根据该转速与给定转速的偏差，对输出转矩进行调节，如需要的输出转矩大于设定的“最大转矩”，按照最大转矩输出。
　　在设定的“加速时间”充分短的时候，电机按照最大转矩进行加速，设置“最大转矩”为2倍额定转矩时，额定负载下电机加速过程的转矩，电机电流、电机功率随转速变化的曲线如图14-16所示。此时，电机按照2倍额定转矩加速，加速完成后，其输出转矩为实际负载转矩，即1倍额定转矩。

图14：最大转矩限制的矢量控制变频调速方式下，电机的转矩-转速特性曲线

图15：最大转矩限制的矢量控制变频调速方式下，电机的定子电流-转速特性曲线

图16：最大转矩限制的矢量控制变频调速方式下，电机的功率-转速特性曲线

　　在实际使用中，由于提升机系统一般对于最大加速度有一定的限制，因此“加速时间”一般根据期望的加速度进行设置，按照该设置进行加速时，一般无需到达设定的最大转矩，图17-19为典型的加速时间设置情况下，负载为额定转矩时加速过程的转矩、电流、功率随转速变化曲线。在提升机启动时，先启动变频器后松闸，此时电机施加最大转矩；而后电机根据设定的加速曲线进行加速，此时的电机输出转矩由负载和设定的加速时间（加速度）所确定，约为1.3倍额定转矩，其中负载转矩为1倍额定转矩，加速转矩为0.3倍额定转矩；随着转速的上升，物理系统的阻力有所增加，电机的输出转矩略有增加；到达给定转速（额定转速）后，电机停止加速，带负载稳定运行，输出转矩与负载转矩相同。

图17：加速时间限制的矢量控制变频调速方式下，电机的转矩-转速特性曲线

图18：加速时间限制的矢量控制变频调速方式下，电机的定子电流-转速特性曲线

图19：加速时间限制的矢量控制变频调速方式下，电机的功率-转速特性曲线

四、变频调速方式与转子串电阻方式的对比
　　与转子串电阻调速方式相比，在相同的负载下，加速过程中变频调速方式电机转矩脉动更小，电机电流更小，低速下从电网吸收的功率更小。这就意味着变频调速方式下，电机老化程度更低，加速更平稳，所乘人员舒适性更好，且具有显著的节能效果。
　　图20-22为两种方式的对比曲线，其中，蓝色粗线为变频调速方式（加速时间限制方式），黑色细线为转子串电阻调速方式（额定电流切换控制方式）。

图20：两种控制方式下，电机的转矩-转速特性对比曲线

图21：两种控制方式下，电机的定子电流-转速特性对比曲线

图22：两种控制方式下，电机的功率-转速特性对比曲线

五、运行现场情况简介
1.现场提升机基本情况
　　运行现场位于开滦（集团）蔚州矿业公司南留庄煤矿。开滦享有“中国近代煤炭工业源头”、“中国北方民族工业摇篮”的美誉。开滦（集团）有限责任公司的前身为“开平矿务局”，始建于1878年，迄今已有130年的历史，是中国最古老的煤矿。2007年，开滦集团公司生产原煤突破2978.62万吨，生产精煤754.88万吨，营业收入突破150亿元；2008年，开滦集团公司在全国500强企业排名中，名列291名，南留庄煤矿是其下属的煤矿企业之一。
　　本次变频改造的为主、副井提升机各1台，均为竖井双箕斗提升机，提升高度211米，最大运行速度3.27m/s，最小运行速度0.5m/s，配用电机为主井200kW/6kV，副井280kW/6kV，配用减速机减速比30倍，变频改造前，使用转子串电阻调速控制系统，调速电阻级数为8级。
　　图23为提升机系统现场照片，图24为提升系统原先所用调速电阻的照片。变频改造前，提升机在启动时电机振动较大，在低速爬行阶段和加减速阶段速度控制性能差，加减速过程转矩脉动大、罐笼平稳性较差、缆绳摆幅较大，人员升降舒适性差；升降、加减速过程完全由绞车司机手动控制，控制不当易造成过放和过卷事故。由于提升机频繁启动和制动，在加减速过程中转子所串电阻产生相当严重的能耗，再加上串电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，已经影响到了企业的生产效益。另外，串电阻调速系统还存在着占地面积大、发热量高、噪声大等缺点。

图23：运行现场原先所用调速电阻

图24：运行现场原先所用调速电阻

2.HARSVERT-FVA系列高压变频器基本情况
　　此次变频改造选用2台HARSVERT-FVA06/035高压变频器，额定电压6kV，额定电流35A，额定功率320kW，额定容量400kVA。
　　HARSVERT-FVA系列高压变频器是北京利德华福电气技术有限公司生产的新一代能量回馈型矢量控制高压变频调速系统，该系统首创无网侧电抗器的四象限单元串联多电平结构，通过无速度传感器矢量控制算法对电机进行精确的控制。
　　利德华福成立于1998年，是一家年销售收入8亿元，正以年均增长率超过50%高速发展，并且拥有核心自主知识产权的高新技术企业，在国内高压大功率变频调速自动控制产品及技术解决方案等领域占据领先地位。自2000年研制成功国内第一台具有自主知识产权的高压大功率变频调速系统以来，目前产品与服务行销中国及欧洲、北美、南美、非洲、西亚、南亚、东南亚、澳洲等市场区域，自2004年起一直占据本领域内的技术、产品及市场领先地位。
　　HARSVERT-FVA系列能量回馈型矢量控制高压变频器采用单元串联多电平的拓扑结构，由激磁涌流抑制柜、变压器柜、功率柜和控制柜组成，其外观如图25所示，主回路结构如图26所示。激磁涌流抑制柜内设有真空接触器和限流电阻，限制变频器高压上电时的充电电流和激磁涌流不超过其额定电流；变压器内装有整流变压器，将网侧高压变换为副边的多组低压，为功率柜中的功率单元（低压交直交变流器）供电，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，各功率单元输出串联构成变频器的高电压输出。变压器柜和功率柜的拓扑结构如图27所示。

图25：HARSVERT-FVA系列高压变频器外观

图26：HARSVERT-FVA系列高压变频器结构

图27：HARSVERT-FVA系列高压变频器主电路系统结构

图28：HARSVERT-FVA系列高压变频器功率单元结构

图29：6kV/5级功率单元串联的HARSVERT-FVA系列高压变频器输出线电压波形

　　功率单元是整台变频器实现变压变频输出的基本单元，每个功率单元都相当于一台交直交电压源型单相低压变频器。功率单元整流侧用IGBT三相全桥可控整流，中间采用电解电容滤波和储能，输出侧为4只IGBT组成的H桥，如图28所示。每个功率单元内设DSP高速运算器，进行可控整流算法的运算和控制。由于采用可控整流技术，变频器的输入电流具有较高的功率因数（PF＞0.95）和较低的谐波含量（THD＜4%）。
　　变频器主控系统通过光纤统一控制各功率单元的输出侧IGBT，使变频器整机输出叠加后的多电平的PWM，如图29所示。该电压具有很高的正弦度，谐波含量很低。
　　HARSVERT-FVA系列能量回馈高压变频器由于采用IGBT三相全桥可控整流，具有100%功率的能量回馈能力，在减速制动和下方重车时能够将能量回馈至电网，共厂内其他设备使用，降低企业整体电耗水平，尤其适合矿井提升等四象限运行工况需要。
　　变频器采用先进的无速度传感器矢量控制算法，对电机的磁通和转矩进行精确的解耦控制，能够实现零速（抱闸状态）200%转矩启动、频繁快速起停、快速加速、快速制动等功能。
　　HARSVERT-FVA系列高压变频器对矿用提升机负载进行了特殊设计，其输出过载能力达200%/60秒，完全满足现场应用的需要。
3.现场变频改造情况
　　现场的2台提升机于2009年1月20日开始进行自动化变频改造，1月29日试运行，2月1日正式投运，截至本文发稿时，已连续运行2个月无故障。
　　变频改造后，设备运行曲线如图30所示，其中，红色曲线为井筒深度，黑色曲线为电机定子电流，蓝色曲线为测速发电机实测电机转速，绿色曲线为码盘测量的电机转速，由于码盘安装于减速箱低速端，因此其测量结果误差较大。
　　变频改造后，实现了提升机加减速过程的平稳控制，运行过程缆绳摆幅明显减小，人员升降舒适性明显提高，电动机启动电流与启动时振动显著降低；自动化电控系统很好的防止提升机过卷和过放事故发生；省去了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果；克服了接触器、电阻器绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生率，给企业带来了实际的利益，串电阻调速系统占地面积大、发热量高、噪声大等问题也得到了解决。

四、总结
　　本文根据电机学模型，着重分析了绕线式异步电机在转子串电阻调速方式和矢量控制变频调速方式下的运行特性，分析表明，在相同的负载下，与转子串电阻调速相比，矢量控制变频调速方式下电机转矩脉动小，电机电流小，低速段能耗低。变频改造能够显著降低设备振动、磨损，具有很大的节能效果。
　　2台HARSVERT-FVA系列能量回馈高压变频器在开滦（集团）蔚州矿业公司南留庄矿提升机系统的应用证明了，对提升机系统进行变频改造可显著提高运行平稳性、人员升降的舒适性，降低缆绳摆动幅度，降低电机启动电流，提高系统的整体可靠性、安全性，提高系统效率。

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