HARSVERT-FVA系列高壓變頻器在煤礦提升機的應用

1 引言

　　“豫北明珠”、“河南省文明煤礦”——安陽鑫龍（集團）主焦煤業公司位于安陽縣倫掌鄉境內，西鄰大白公路，北接河北磁縣，南望安李鐵路，交通十分便捷。

　　公司現有員工1000多人，生產能力將達到年產90萬噸，產值增至9億元，實現利稅近3億元，近幾年來，先后獲得“河南省安全質量標準化先進單位”、全省煤礦“管理創新最佳企業”、“河南省五一勞動獎章”、“安陽市五好黨組織”、“安陽市效益最佳企業”、“河南省文明煤礦”等諸多榮譽稱號。公司主要產品為焦煤，屬國家稀有煤種，低磷、特低硫、高發熱量，用途廣泛。現有地質儲量5526萬噸，可采儲量2726萬噸。

　　安陽鑫龍（集團）主焦煤業公司礦用提升機使用繞線式異步電機轉子串電阻的方法進行調速控制。該方法成本較低，但轉矩脈動大，電機電流大，能耗高，且轉子串電阻調速控制電路復雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，影響企業安全生產水平。隨著電力電子與電機控制技術的發展，采用變頻調速的方法可以從根本上解決上述問題。安陽鑫龍（集團）主焦煤業公司領導通過考察國內用戶現場使用提升機變頻器的情形后，決定選用北京利德華福電氣技術有限公司的harsvert-fva06/075型（560kw/6kv）高壓提升機變頻器，對提升機系統進行系統改造。

2 原繞線式異步電機轉子串電阻調速方式的運行特性分析

礦井提升機通常采用繞線式電動機作為主驅動，用于提升或下降重物，具有典型的位能負載特性，是礦業的通用設備。在電機啟動之初，所有短接開關處于分斷位置，所有電阻串聯入電機的轉子回路。當電機加速至一定轉速時，閉合最靠中性點側的短接開關（圖1中最下端開關），電機轉子所串電阻減少，隨著電機進一步加速，絞車司機依次閉合另外幾組短接開關，直至所有電阻被短接，電機運行至最高速。

　　電機減速時，先斷開靠近電機繞組的短接開關，而后隨著轉速的降低依次斷開另外幾組開關，直至所有電阻被串入轉子回路，進入爬行階段，絞車到位后啟動抱閘，同時斷開定子側高壓斷路器。

　　此運行方式有如下弊端：

　　（1）由于啟動及調速等方面的需要，通常都是在線繞式電動機的轉子回路串接電阻，來改變電機的輸出轉矩，從而降低電機啟動電流，以實現小范圍的轉差變速，去適應負載的突變持性。并實現電動機的分級調整。這種控制方式帶來如下弊端：轉子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費。

　　（2）電阻分級切換，實現有級調速，設備運行不平穩，引起電氣及機械沖擊。低速轉矩小，轉差功率大，啟動電流和換檔電流沖擊大，中高速運行振動大，制動不安全不可靠，對再生能量處理不力，在提升機運行中調速不連續，容易掉道，故障率高。礦用提升機生產是24h連續作業，即使短時間的停機維修也會給生產帶來很大損失。

　　（3）再生發電時，機械能回饋電網，造成電網功率因數低。尤其在供電饋線較長的應用場合，會加大變壓器、供電線路等方面的投資。

　　（4）接觸器頻繁投切，電弧燒傷觸點，影響接觸器的使用壽命，設備維修成本較高。

　　（5）繞線電動機滑環存在的接觸不良問題，容易引起設備的事故。

3 變頻調速方式的運行特性分析

　　變頻調速的運行方式是指將電機的轉子繞組短接，通過變頻器內的電力電子器件將工頻電網50hz的電壓轉換成其他頻率的電壓，加在電機的定子繞組上。通過調節變頻器輸出電壓的幅值、頻率和相位控制電機運行在期望的轉速上。其電路結構如圖2所示。

　　與轉子串電阻調速的方式相比，變頻調速具有電機電流小、電機工作平穩、轉矩脈動小、電機可控性高、節能等特點。

　　變頻調速按照控制方法主要有vvvf控制、滑差頻率控制、直接轉矩控制、矢量控制等，其中，矢量控制能夠通過對電機的建模運算，實現電機磁通和轉矩的解耦控制，具有最優的控制性能。本文所述harsvert-fva系列高壓變頻器即采用此控制方法，其良好的控制性能，尤其適應礦井提升機負載的需要。

　　在矢量控制方式下，變頻器能夠根據測量到的電壓、電流信號，以及事先測得的電機參數，根據內建的電機模型，計算出電機的磁通位置、磁通幅值、輸出轉矩和電機轉速。而后根據該轉速與給定轉速的偏差，對輸出轉矩進行調節，如需要的輸出轉矩大于設定的“最大轉矩”，按照最大轉矩輸出。

　　與轉子串電阻調速方式相比，在相同的負載下，加速過程中變頻調速方式電機轉矩脈動更小，電機電流更小，低速下從電網吸收的功率更小。這就意味著變頻調速方式下，電機老化程度更低，加速更平穩，所乘人員舒適性更好，且具有顯著的節能效果。

4 運行現場情況簡介

　　4.1 harsert-fva系列高壓變頻器基本情況

　　此次變頻改造選用1臺harsvert-fva06/075高壓變頻器，額定電壓6kv，額定電流75a，額定功率560kw。

　　harsvert-fva系列高壓變頻器是北京利德華福電氣技術有限公司生產的新一代能量回饋型矢量控制高壓變頻調速系統，該系統首創無網側電抗器的四象限單元串聯多電平結構，通過無速度傳感器矢量控制算法對電機進行精確的控制。

　　harsvert-fva系列能量回饋型矢量控制高壓變頻器采用單元串聯多電平的拓撲結構，由激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜和控制柜組成，主回路結構如圖3所示。激磁涌流抑制柜內設有真空接觸器和限流電阻，限制變頻器高壓上電時的充電電流和激磁涌流不超過其額定電流；變壓器內裝有整流變壓器，將網側高壓變換為副邊的多組低壓，為功率柜中的功率單元（低壓交-直-交變流器）供電，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，各功率單元輸出串聯構成變頻器的高電壓輸出。變壓器柜和功率柜的拓撲結構如圖4所示。

　　功率單元是整臺變頻器實現變壓變頻輸出的基本單元，每個功率單元都相當于一臺交-直-交電壓源型單相低壓變頻器。功率單元整流側用igbt三相全橋可控整流，中間采用電解電容濾波和儲能，輸出側為4只igbt組成的h橋，如圖5所示。每個功率單元內設dsp高速運算器，進行可控整流算法的運算和控制。由于采用可控整流技術，變頻器的輸入電流具有較高的功率因數（pf＞0.95）和較低的諧波含量（thd＜4%）。

　　變頻器主控系統通過光纖統一控制各功率單元的輸出側igbt，使變頻器整機輸出疊加后的多電平的pwm波形，如圖6所示。該電壓具有很高的正弦度，諧波含量很低。

　　harsvert-fva系列能量回饋高壓變頻器由于采用igbt三相全橋可控整流，具有100%功率的能量回饋能力，在減速制動和下放重車時能夠將能量回饋至電網，供其他設備使用，降低企業整體電耗水平，尤其適合礦井提升等四象限運行工況需要。

　　變頻器采用先進的無速度傳感器矢量控制算法，對電機的磁通和轉矩進行精確的解耦控制，能夠實現零速（抱閘狀態）200%轉矩啟動、頻繁快速起停、快速加速、快速制動等功能。

　　harsvert-fva系列高壓變頻器對礦用提升機負載進行了特殊設計，其輸出過載能力達200%/60s，完全能滿足現場應用的需要。

　　4.2 現場變頻改造情況

　　在整個的提升機系統中，高壓變頻器擔負著電氣傳動和調速的重任，是主控命令的執行者，有著頻繁啟動、停止及其加減速的工作模式。當主令控制器推離零位后，經過可編程控制器的運算發出標準的模擬量（電壓源和電流源）信號作為高壓變頻器的模擬輸入給定，高壓變頻器按主控臺發出的給定，按設定要求輸出對應頻率和電壓驅動電動機加速運行。隨著高壓變頻器輸出頻率由最低升至最高時，提升機按設定的運行曲線加速進入等速段，當提升容器運行至減速點時，主控臺通過給定信號控制變頻器按規定要求減速運行，此時變頻器輸出頻率由最高頻率按要求逐漸降為設定的爬行速度對應得頻率（一般為5hz左右），提升機從正常階段進入減速段運行。當速度降到設定的速度時，提升機進入到低速段（爬行段）運行，并保持該速度運行。當提升容器運行到卸載位置時，主控臺檢測到容器到位信號后，工作閘回路斷電抱閘