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一、前言
龍煤集團雙鴨山分公司集賢煤礦是一家從事煤炭開采多年的老礦，目前年產優質煤炭200萬噸。該煤礦的 主井提升機為雙筒式礦井提升機，滾筒直徑為3.5米，提煤容器為箕斗，提媒工藝如下示意圖：
該采煤提升系統為目前中小煤礦普遍采用，采用箕斗作為提升容器，一個箕斗在井底煤倉自動裝載后，被提升到地面卸載；另一箕斗由地面下降到井下煤倉處裝煤。
箕斗通過機房的雙滾筒帶動，機房雙滾筒采用兩臺800千瓦電機通過減速機拖動，電機的調速方式采用傳統的串電阻調速方式，該調速方式屬于落后技術，存在以下缺點：
（1）大量的電能消耗在轉差電阻上，造成了嚴重的能源浪費，同時電阻器的安裝需要占用很大的空間。 �。�2） 控制系統復雜，導致系統的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了生產效率。 �。�3）低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現速度 控制，特別是在負載發生變化時，很難實現恒減速 控制，導致調速不連續、速度 控制性能較差。 （4）啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低。 （5） 自動化程度不高，增加了開采成本，影響了產量。 �。�6）低電壓和低速段的啟動力矩小，帶負載能力差，無法實現恒轉矩提升。 目前，變頻器調速系統作為當前最先進的交流電機調速系統，越來越多的應用于各種交流電機拖動場合，作為礦井提升機這種特殊行業、特殊負載，應用的案例還比較少，尤其是針對高壓變頻調速系統，雙鴨山新立礦標新立異，敢于創新，通過多加比對，考察，決定采用北京利德華福電器技術有限公司生產的能量回饋型高性能矢量控制變頻器對原系統進行改造。
二、能量回饋型高性能高壓變頻器系統簡要介紹
北京利德華福電氣技術有限公司生產的能量回饋型高壓變頻器屬于高性能具備矢量控制功能的新一代變頻器，廣泛應用于礦井提升機、需要快速制動的風機以及大型軋鋼機負載上，其基本組成為：激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜及控制柜。設備原理如上圖，現簡要說明：
1）涌流抑制：變壓器在受電瞬間，會產生激磁涌流，該數值在正常額定電流的6到8倍左右，在電網容量較小的情況下，可能引起電網急劇負向波動，影響其他設備的正常運行。為了解決該問題，北京利德華福針對該場合運行的變頻器加裝了激磁涌流抑制柜，其主要組成部分為高壓電阻及真空接觸器，二者并聯。當變頻器受高壓電瞬間，高壓電阻串入變壓器輸入回路，通過電阻的限流作用降低激磁涌流，減小電網的負向波動。延時兩秒鐘后，受變頻器控制系統控制，并接在高壓電阻的真空接觸器自動吸合，切除高壓電阻，變頻器投入正常運行。
2）變壓器：該變壓器為移相變壓器。移相變壓器給每個功率模塊供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，根據電壓等級和模塊串聯級數，一般由24、30、42、48脈沖系列等構成多級相疊加的整流方式，可以大大改善網側的電流波形（網側電壓電流諧波指標滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其負載下的網側功率因數接近1。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，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。
3） 功率模塊：功率模塊是變頻器中重要的組成部分，變頻器輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，對電纜和電機的絕緣無損壞，無須輸出濾波器，就可以延長輸出電纜長度，可直接用于普通電機。同時，電機的諧波損耗大大減少，消除負載機械軸承和葉片的振動。對于能量回饋變頻器的功率模塊，其結構更為復雜，功率單元的輸入部分不再是整流二極管，而是可控的開關器件（IGBT），并在每個功率模塊中加裝電流檢測裝置，通過對輸入部分IGBT的控制，實現電流的雙向流動，從而實現變頻器的四象限運行功能。當某一個功率模塊出現故障時，通過控制使輸出端子短路，可將此單元旁路退出系統，變頻器可降額機械運行；由此可避免很多場合下停機造成的損失。
需要說明的是，上述所有功能的實現，均由變頻器的大腦——主控系統來實現，北京利德華福變頻器的主控系統大體由高速單片機處理器、人機界面、PLC組成。單片機處理器利用公司具有自主知識產權的先進矢量控制技術，通過光纖通訊的方式對每個功率單元進行PWM控制。人機操作界面解決高壓變頻調速系統本身和用戶現場接口的問題，提供友好的全中文監控界面，使用方便、快捷，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。內置PLC則用于柜體內開關信號的邏輯處理，可以和用戶現場靈活接口，滿足用戶的特殊需要。
三、改造方案
電機參數
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電機型號 |
YR800-10/1180 |
電機功率 |
800KW |
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額定電壓 |
6000/3000V |
額定電流 |
97/194A |
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額定轉速 |
592r/min |
生產廠家 |
哈爾濱電機廠 |
高壓變頻器參數
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型號 |
HARVEST-FVA06/200 |
額定容量 |
2000KVA |
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輸入/輸出電壓 |
6KV/6KV |
額定電流 |
200A |
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生產廠家 |
北京利德華福電氣技術有限公司 |
改造方案如下圖：
原有的串電阻調速方式繼續保留，通過切換開關將高壓變頻器融入到原系統，保證兩個系統操作的相對獨立性。當變頻器投入運行時，閉合QS3、QS4，通過轉子切換柜將繞線式異步電動機轉子短接，則變頻器投入礦井提升機系統，變頻器接受主控臺指令正、反轉及調速指令，驅動雙電機同步調速正反轉運行；當原有串電阻調速系統投入運行時，QS5、QS6 閉合，通過轉子切換柜將原有電阻串入繞線式異步電動機轉子回路，通過切換柜的變向及串入轉子電阻的逐級切換，達到變向及調速的目的。上圖中的QS3、QS4、QS5、QS6 等隔離開關相互之間保持機械互鎖，且開關狀態全部納入主控臺操作系統，這樣，高壓變頻調速系統可以和原系統互為備用，增加礦井提升機運行的可靠性。變頻器本體部分說明如下：
1）高壓變頻器采用單元串聯多電平拓補結構，輸入諧波小，功率因數高；
2）高壓變頻器為可以四象限運行的能量回饋型變頻器，采用最先進的矢量控制技術，加速時可以實現最大的轉矩輸出，加速時間縮小至最短，而減速時，可以控制電機在四象限運行，輸出制動轉矩，減速時間縮至最短，同時，將勢能轉化為電能，回饋至電網，從而達到節能的目的；
3）考慮到礦用電網容量較小，變頻器配備激磁涌流柜，在變頻器送電初期，將激磁涌流抑制電阻投入主回路，延時兩秒后，通過自動切換回路，切除激磁涌流抑制電阻，通過此種技術方案，降低變壓器激磁涌流，保證變頻器瞬間投入時不對電網造成電壓波動；
4）單臺變頻器直接拖動兩臺電機，簡化控制手段，降低故障風險。
四、變頻器在礦井提升機系統中的應用
上圖為雙鴨山集賢煤礦立井雙箕斗提升系統主要組成部分，系統中包括：電機、高壓變頻器、主控臺、液壓站、潤滑站、高壓開關柜、減速機、聯軸器、雙滾筒、箕斗、天輪及原串電阻調速系統，因本文主要講述高壓變頻器在礦井提升機系統中的應用，關于串電阻調速系統則在本文中不再詳述。
圖中，高壓變頻器作為動力調速裝置，在整個提升系統中起著舉足輕重的作用，下面則對此進行詳細說明。
變頻器通過高壓開關柜受高壓電，并且通過變頻器控制系統檢測高壓電的相序，電壓等一系列參數，如果參數超出變頻器正常范圍，則利用變頻器自身的保護功能對變頻器實施保護，為了降低變壓器初期受電的激磁電流，避免受電時電網波動對其他運行設備的影響，該變頻器配備了激磁涌流抑制柜，降低激磁電流，降低電網波動的幅度。
變頻器與主控臺的接口主要如下：
變頻器接受主控臺的正轉、反轉、急停以及轉速給定等指令，變頻器反饋給主控臺的信號有：待機、運行、輕故障、重故障、旁路故障、輸出轉速及輸出電流等。
變頻器受高壓電后，主控臺通過檢測電機的待機信號，判斷變頻器已經可以運行，主控臺在自動模式下，通過控制變頻器，實現礦井提升機運行的5段速度曲線，即啟動加速段、勻速段、一次減速段、勻速爬行段和二次減速制動段，下面一一說明。
1） 啟動加速段：主控臺接受井下操作人員的打點命令，對變頻器輸出正轉或反轉命令，變頻器按照預先設定的加速時間運行至最低頻率，將運行信號反饋給主控臺，此時作用于雙滾筒上的抱閘系統處于抱閘狀態，滾筒靜止，拖動滾筒的電機處于堵轉狀態。主控臺接收到變頻器運行信號后，判斷變頻器輸出電流，當檢測電流達到電機額定電流后（雙電機系統，額定電流為單電機額定電流的二倍），證明電機已經獲得了足夠的勵磁轉矩，因液壓站液壓閥的機械特性有時會發生微小變化，為了避免溜車現象的發生，主控臺在此稍做了延時，一秒鐘后主控臺驅動液壓站液壓閥，液壓閥再驅動滾筒抱閘系統，松開抱閘系統，電機堵轉結束，開始旋轉，通過減速機，滾筒開始運行，從而通過鋼繩拖動兩只箕斗上下運行。變頻器接受主控臺轉速給定信號，逐步提高運行頻率，按照預先設定的加速時間逐步提高運行頻率，滾筒轉速逐步提高；
2 ）勻速段：當轉速給定指令提高至50赫茲，變頻器運行至50赫茲時，進入勻速段，此階段，變頻器維持最大輸出，滾筒運行至最高速度，拖動箕斗在最高速度下運行；
3 ）一次減速段：主控臺通過立井系統的位置傳感器接收箕斗運行位置信號，當到達一次減速區間的時候，主控臺按照預先設定的程序減小轉速給定指令數值，變頻器接收到新的轉速給定數值后，執行，開始降低運行頻率，拖動電機及滾筒減速運行。此時因箕斗之前還處于高速運行，突然降速后，由于慣性作用，電機進入發電狀態，開始向變頻器注入能量，變頻器則利用自身的能量回饋功能，將此部分能量通過逆變回饋至電網，同時根據預先設定的降速曲線，對電機實施反作用力，達到快速降速的目的；
4 ） 勻速爬行段：主控臺通過箕斗的位置傳感信號，通過預設數值，給定變頻器低轉速數值，變頻器在此轉速信號下維持低頻率輸出不變，箕斗低速運行，進入勻速爬行段；
5） 二次減速制動段：主控臺通過箕斗的位置傳感信號，判斷箕斗即將進入預定停斗位置后，給變頻器更低轉速信號，變頻器運行至最低頻率，當箕斗即將到達預定位置后，主控臺發出急停指令，變頻器停止驅動電機，同時控制液壓站，關斷液壓閥，從而驅動滾筒抱閘系統，經過二級制動，抱閘系統抱死，滾筒靜止，箕斗停運，執行卸煤及裝載流程。需要說明的是，當主控臺發急停指令的時候，變頻器通過自身編程延時0.5秒停止頻率輸出，此種技術手段是為了保證在滾筒抱閘系統已經起作用的時候，變頻器仍有短時間力矩輸出，防止抱閘系統抱閘瞬間變頻器力矩輸出為零，引起溜車現象，經現場反復運行，證明了該方案的可行性。
當然，在變頻器運行的各個階段，主控臺通過軸編碼器，分別監測電機、滾筒的轉速，除了顯示箕斗運行速度、實時深度等數值，還通過多個速度監測結果綜合判斷系統運行是否正常，另外，通過立井位置傳感器、繩索、潤滑站、液壓站、電機過熱保護器等系列參數，實現礦井提升機系統的上過卷、下過卷、松繩、潤滑油油壓過低或過高（潤滑站主要是給減速機潤滑）、液壓站油壓過高或過低、電機過載、絞車過速等一系列保護功能。
變頻器的加減速時間設置很重要，其設置根本原則有兩個方面，第一，盡可能利用變頻器自身的快速響應功能，加減速時間盡量短，提高箕斗的運行速度，提高生產效率；第二，最大加速度不允許超過國家安標，防止安全事故，基于以上兩點考慮，實際應用中，變頻器從0至50赫茲的加速時間設置為12秒，從50赫茲至0赫茲的減速時間設置為9.7秒，經現場實際運行，完全滿足現場運行要求。
變頻器運行中，不但自身具備完善的各項保護功能，還可以利用接口電路實時將故障信息傳送給主控臺，實現聯鎖保護，最大限度地保證礦井提升機系統的安全運行。
下面是一組現場主要設備實圖，今展示出來，提高感性認識。
能量回饋高性能高壓變頻器調速系統
主控臺
雙電機
液壓站
雙滾筒
天輪
五、變頻器在實際中應用遇到的問題及解決辦法
實際調試過程中，曾經遇到如下問題：每次主控臺給變頻器正轉或反轉指令，變頻器開始啟動，在抱閘系統松開之前，提升機系統減速機部分都會發生“咣、咣”兩聲比較大的聲響，很明顯，不但產生噪音，而且對減速機的機械部分也是一種損害。仔細分析問題，最后把目光定在了電機與減速機之間的聯軸器上，實物圖如下：
蛇形彈簧聯軸器屬于一種結構先進的金屬彈性變剛度聯軸器，它靠蛇簧嵌入兩半聯軸節的齒槽內來傳遞扭矩，主要由兩個半聯軸節，兩個半外罩，兩個密封圈及蛇形彈簧片組成。聯軸器以蛇形彈簧片嵌入兩個半聯軸節的齒槽內，來實現主動軸與從動軸的鏈接。運轉時，是靠主動端齒面對蛇簧的軸向作用力帶動從動端，來傳遞扭矩，如此在很大程度上避免了共振現象發生，且簧片在傳遞扭矩時所產生的彈性變量，使機械系統能獲得較好的減震效果，其平均減震率達36%以上。蛇形彈簧片采用優質彈簧鋼制造經過嚴格的加工，處理具有良好的機械性能，使聯軸器的壽命比非金屬彈性元件聯軸器大為延長。
問題就是出在蛇形彈簧聯軸器上。因變頻器為了滿足現場快速啟動的要求，設置了轉矩提升功能，加大啟動轉矩,加速時間又很小( 從0到50赫茲之間僅為12秒) ，這樣一來,當變頻器啟動，電機很快得到足夠的勵磁轉矩，電機堵轉，電機急速運行至變頻器最低頻率。此時，電機轉矩較大，通過聯軸器直接驅動減速機，減速機主動輪和從動輪之間是有間隙的，因此時抱閘系統處于抱閘狀態，滾筒還處于靜止狀態，則減速機主動軸與從動軸齒輪間迅速發生碰撞，發生“咣”一聲響，然而，變頻器在低轉速下，其輸出轉矩很顯然無法和工頻輸出時相比，這樣，當減速機主動軸齒輪與從動軸齒輪之間發生第一次碰撞后，因蛇形彈簧聯軸器的彈性作用，瞬間產生反作用力矩，彈性越大，反作用力矩越強，而變頻器此時輸出的轉矩則很難持續抗衡該反轉矩，于是，蛇形彈簧聯軸器帶動電機瞬間反轉，主動軸齒輪與從動軸齒輪之間又一次發生碰撞，又發生一次“咣”的聲響，直至再次驅動從動軸時，此時滾筒抱閘系統已經松開，電機開始正常運行，則再無該機械聲響。下一次，提升機從靜止狀態到運行狀態，則現象依舊。
基于以上分析，最后，我們利用變頻器先進的設置功能，在變頻器加速時間上作了一些改動，將原有的加速時間分作三段，其中，在第一段加速時間為0至4赫茲2秒，第二段加速時間為4到15赫茲2秒，15至50赫茲加速時間為8秒。這樣，保證在整個加速時間12秒不變，而主要是利用第一段加速時間來解決機械撞擊的問題，即，當變頻器接收到正轉或反轉指令后，啟動，此時，電機的啟動轉矩依據第一段加速時間而逐步建立，其轉矩的提升不再是瞬間至最大值，，而是有了一個斜度，作用在蛇形聯軸器的力矩是個逐步增加的過程，充分利用了蛇形聯軸器的彈性功能，不致于蛇形聯軸器彈性過大，造成反力矩從而沖擊從動輪，當力矩至最大時，滾筒抱閘系統已經松開，提升機系統開始提升，一切恰到好處，再無“咣、咣”的機械聲響，問題得到徹底解決。
六、改造前后變頻器與原串電阻調速系統的對比
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能量回饋型高壓變頻器 |
原串電阻調速系統 |
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快速性 |
變頻器應用在礦井提升機中，考慮到負載的特殊性，往往設置余量較大，保證在最短的時間內變頻器可以加速到最高頻率，減速時，依靠變頻器自身的能量回饋功能，將勢能轉化為電能回饋電網，同時產生反力矩，達到快速減速的目的，快速性好。
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轉子串電阻調速系統，其機械特性較軟，轉子逐級切換，其加速時間不能過快，另外，降速時，電機部分不再接受高壓電，其降速時間完全取決于系統的機械特性，降速時間不可調，在低速爬行階段，采用660V低壓變頻器維持3赫茲運行，其頻率也不可調，快速性較差 |
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穩定性 |
變頻器屬無級調速系統，調速運行時，電機運行平穩，無脈動感，系統穩定性好， |
串電阻調速系統屬有級調速，轉子電阻切換過程中，電機轉速變化較大，電機運行不平穩，有脈動感，系統穩定性差。 |
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維修周期 |
變頻器自身結構緊湊，作為系統，機械器件很少，除了定期更換濾網，防止濾網堵塞，其他維修工作量幾乎沒有，維修周期長。 |
串電阻調速系統換向切換柜需要真空接觸器，接觸器動作頻繁，維護工作量大，需要定期更換，另外，因采用電機轉子滑環，其維護工作量較大。整體設備維修周期短。 |
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對系統的影響 |
變頻器自身的軟啟動功能及平穩無級調速功能，決定了系統機械沖擊大大減小，電機、減速機，滾筒、箕斗運行的軌道等等受到的沖擊均降到最低。 |
串電阻調速系統無軟啟動功能，其調速屬有級調速，穩定性差，啟動瞬間對電機、減速機，滾筒沖擊較大，降低系統使用壽命。另外，箕斗運行的軌道受到箕斗反復沖擊，維修工作量相當大。 |
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節能方面 |
變頻器自身效率高，具有自動功率因數補償功能，網側功率因數接近1，且屬高性能調速系統，能量損耗小，在系統降速階段，可將一部分勢能轉化為電能回饋至電網，節能效果明顯 |
串電阻調速系統自身效率低，調速時，相當一部分能量以熱損耗的方式通過轉子外接電阻浪費掉，另外，在降速過程中，無能量反饋功能，無法將部分勢能轉化為動能，屬于低性能調速系統，無節能效果。 |
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綜合效益 |
基于以上說明，變頻調速系統綜合效益高 |
基于以上說明，串電阻調速系統綜合效益低 |
七、結束語
繞線式電機轉子串電阻調速，電阻上消耗大量的轉差功率，速度越低，消耗的轉差功率越大。使用能量回饋型變頻調速，是一種不耗能的高效的調速方式。電機在發電狀態下運行時還可以將能量回饋至電網，節能十分顯著，取得了很好的經濟效益。另外，提升機變頻調速后，系統運行的穩定性和安全性得到大大的提高，減少了運行故障和停工工時，節省了人力和物力，提高了運煤能力，間接的經濟效益也很可觀。
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