交-直-交变频器在矿井提升机上的应用

闫 伟

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西 古交 030206）

引言

提升机为综采工作面的主要提升设备，肩负着煤矿煤炭、矸石、设备以及人员的运送任务。在实际提升任务中需根据运输对象和重量等对提升速度进行分级调速控制，通过传统调速系统差异绕线式电机转子串电阻的方式实现上述功能，该种控制方式虽然设备构成简单、控制方便，但是其能耗较大且机械特性较软，而且还属于有级调速，并不能够满足提升机实际提升任务的需求。提升机对应的负载属于位势负载，其控制系统要求具有较硬的机械特性，可在满载状态下启动，满足各种工况的无级调速等功能[1]。本文将交-直-交变频器应用于提升机的提升任务中，并对其中涉及到的无级变频调速系统进行设计说明。

1 提升机变频调速系统性能研究

本文所述的交-直-交变频器具体指的是ABB ACS6000 直接转矩控制能量回馈型变频器，该变频器的结构如图1 所示，ACS6000 变频器其中的关键结构包括有PWM 整流器、逆变器、转矩滞环比较器、磁链滞环比较器、扇形判断器、转矩模型和励磁电流模型等。根据控制任务需求，交-直-交变频器可实现对磁链的控制、转矩的控制和励磁电流的控制。其中，基于PWM 控制技术实现恒转矩变频调速功能，从而满足提升机在加速提升、等速运行、停车减速以及低速爬行四个阶段的运行要求[2]。

图1 交-直-交变频器结构示意图

根据提升机无级变频调速系统的控制需求，基于交-直-交变频器的无级变频调速系统除了核心的ABB ACS6000 直接转矩控制能量回馈型变频器外，还包括有整流单元、进线滤波单元、中间直流单元、逆变单元、励磁整流单元、水冷单元、定子整流单元、励磁整流单元等。其中，无级变频调速系统的供电单元为ARU 可逆整流器、采用逆变器实现具体的频率控制功能、采用同步机完成直接转矩控制功能[3]。在上述各单元控制的基础上，保证无级变频调速系统满足如表1 所示的性能。

表1 无级变频调速系统调速性能

2 变频调速系统传动系统设计

本节重点对以交-直-交变频器为核心的无级变频调速系统中涉及到的传动系统进行设计，包括脉宽调制整流器、励磁整流装置、逆变器等设备的设计，还对变频调速系统的控制策略进行设计。

2.1 关键设备的设计

2.1.1 脉宽调制整流器

脉宽调制整理器的主要任务是对系统的功率因数进行调节，其调节机理为：通过对三相电压的相位和幅值进行调节，从而实现对电流大小和相位的调节，其控制原理如图2 所示。

图2 整流器直流电压控制原理图

图2 中脉宽调制整流器采用直流电压闭环控制、电流有功分量控制及无功电流闭环控制的理念实现对电压和电流相位和大小的控制。在实际控制中，只要设置电流为0，即可保证系统输出功率因数为1。

2.1.2 励磁整流装置

励磁整流装置的主要功能也是对变频调速系统的功率因数进行调节控制，其控制路径为励磁电流电路和电流控制电路。

励磁电流电路的核心为励磁整流变压器和三相主控桥，该电路输出的电压值最高可达到800 V。而本交直交变频器的无级变频调速系统的励磁额定电压值仅为220 V。也就是说，本系统的励磁电流电路具有极大的电磁惯性时间常数，可保证励磁电流随着定子的变化而实时变化，确保气隙磁链的稳定性[4]。

本系统的电流控制电路为闭环结构，其对应的电路图如图3 所示，电流控制电路通过其中的比例积分调节器实现对电路上电流的无静差调节。控制依据为励磁电路上经由分流器和隔离放大器A6032所反馈的电流。

图3 电流控制电路图

2.1.3 逆变器

逆变器的主要功能是对系统电路对应的输出电路的高频分量进行去除。因此，逆变器控制电路包括有主控制器AMC3（对直接转矩系统中的同步电机进行控制）、带有DDCS 分配器的传动控制系统、INT2 接口板、转速检测单元（对电机转速进行监测）、转子轴角度检测单元、励磁电流控制板、输入输出口远程接口站、光通道连接装置等。

2.2 控制策略的设计

根据《煤炭安全规程》的相关规定，结合提升机的特殊运输需求，在一般提升工况中将其分为加速提升、等速运行、停车减速以及低速爬行四个阶段，对应如图4 所示。

图4 提升机变频调速速度控制曲线

如图4 所示，a1为加速提升阶段的加速度值，一般取a1=0.75 m/s2；a2为停车减速阶段的减速度值，一般取a2=1 m/s2。为保证交-直-交变频器无级变频调速系统能够满足提升机各种工况的控制需求，采用简单的转速闭环控制工艺存在一定的转速跟踪控制误差，从而导致提升机停机不及时造成事故的发生[5]。为此，针对提升机的稳定、安全控制需求，采用复合控制方案对提升机的速度进行控制，其对应的复合控制系统如图5 所示。

图5 复合控制系统结构框图

如图5 所示，复合控制系统是在基本闭环控制系统的基础上，增加力矩闭环控制系统，实现对提升速度的精确、实时控制。

3 无级变频调速系统的操作及应用

针对提升机无级变频调速系统的控制，可通过远程控制和本地控制两种方案实施。其中，本地控制模式是对控制柜门上的按钮和开关进行控制；远程控制模式为上位机通过控制指令对主断路器等相关电气设备进行控制。针对本地控制，可对提升机进行启动、停机、紧急断电和相关硬件电路进行操控。

目前，基于交直交变频器的无级变频调速系统已经成功应用于屯兰矿的提升系统中，自投入生产以来：提升机系统可稳定、安全运行，各项控制指令均满足提升机各工况的提升要求。同时，通过对现场提升机速度和电机电流的监测结果可以得出：提升机的提升速度可按照预期的给定速度曲线运行；其在重载工况下也可稳定运行，系统的输出功率因数一直可稳定控制在1；在实际应用中，未出现电流冲击现象，不存在电网谐波污染现象等问题，具有较好的节能效果。

4 结语

提升机作为煤矿的主要提升设备之一，需按照“四阶段”给定的速度曲线运行，以保证提升效率和安全性。传统采用串电阻的调速方式节能效果较差，且仅能实现有极调速，并不能够满足提升机的实际生产需求。为此，本文以交直交变频器为核心设计了无级变频调速系统，并在综合控制工艺的支撑下，该无级变频调速系统具有地谐波、低损耗的优势。同时，该无级变频调速系统与传统调速系统相比不需要引入滤波器、无功补偿装置、熔断器、断路器等设备，节约了设备成本和占地面积。总的来讲，交直交变频器在提升机中的应用可极大增加提升系统的提升效率、安全性；具有明显的节能效果和节约成本的效果，可大力推广应用。