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利德华福能量回馈型高性能高压变频调速系统在矿井提升机上的应用
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一、前言 龙煤集团双鸭山分公司集贤煤矿是一家从事煤炭开采多年的老矿，目前年产优质煤炭200万吨。该煤矿的 主井提升机为双筒式矿井提升机，滚筒直径为3.5米，提煤容器为箕斗，提媒工艺如下示意图：
该采煤提升系统为目前中小煤矿普遍采用，采用箕斗作为提升容器，一个箕斗在井底煤仓自动装载后，被提升到地面卸载；另一箕斗由地面下降到井下煤仓处装煤。 箕斗通过机房的双滚筒带动，机房双滚筒采用两台800千瓦电机通过减速机拖动，电机的调速方式采用传统的串电阻调速方式，该调速方式属于落后技术，存在以下缺点： （1）大量的电能消耗在转差电阻上，造成了严重的能源浪费，同时电阻器的安装需要占用很大的空间。 （2）控制系统复杂，导致系统的故障率高，接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏，维护工作量很大，直接影响了生产效率。 （3）低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制，特别是在负载发生变化时，很难实现恒减速控制，导致调速不连续、速度控制性能较差。 （4）启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机的使用寿命大大降低。 （5）自动化程度不高，增加了开采成本，影响了产量。 （6）低电压和低速段的启动力矩小，带负载能力差，无法实现恒转矩提升。 目前，变频器调速系统作为当前最先进的交流电机调速系统，越来越多的应用于各种交流电机拖动场合，作为矿井提升机这种特殊行业、特殊负载，应用的案例还比较少，尤其是针对高压变频调速系统，双鸭山新立矿标新立异，敢于创新，通过多加比对，考察，决定采用北京利德华福电器技术有限公司生产的能量回馈型高性能矢量控制变频器对原系统进行改造。 二、能量回馈型高性能高压变频器系统简要介绍
北京利德华福电气技术有限公司生产的能量回馈型高压变频器属于高性能具备矢量控制功能的新一代变频器，广泛应用于矿井提升机、需要快速制动的风机以及大型轧钢机负载上，其基本组成为：激磁涌流抑制柜、变压器柜、功率柜及控制柜。设备原理如上图，现简要说明： 1） 涌流抑制：变压器在受电瞬间，会产生激磁涌流，该数值在正常额定电流的6到8倍左右，在电网容量较小的情况下，可能引起电网急剧负向波动，影响其他设备的正常运行。为了解决该问题，北京利德华福针对该场合运行的变频器加装了激磁涌流抑制柜，其主要组成部分为高压电阻及真空接触器，二者并联。当变频器受高压电瞬间，高压电阻串入变压器输入回路，通过电阻的限流作用降低激磁涌流，减小电网的负向波动。延时两秒钟后，受变频器控制系统控制，并接在高压电阻的真空接触器自动吸合，切除高压电阻，变频器投入正常运行。 2） 变压器：该变压器为移相变压器。移相变压器给每个功率模块供电，移相变压器的副边绕组分为三组，根据电压等级和模块串联级数，一般由24、30、42、48脉冲系列等构成多级相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形（网侧电压电流谐波指标满足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求）。使其负载下的网侧功率因数接近1。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，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。 3） 功率模块：功率模块是变频器中重要的组成部分，变频器输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长度，可直接用于普通电机。同时，电机的谐波损耗大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。对于能量回馈变频器的功率模块，其结构更为复杂，功率单元的输入部分不再是整流二极管，而是可控的开关器件（IGBT），并在每个功率模块中加装电流检测装置，通过对输入部分IGBT的控制，实现电流的双向流动，从而实现变频器的四象限运行功能。当某一个功率模块出现故障时，通过控制使输出端子短路，可将此单元旁路退出系统，变频器可降额机械运行；由此可避免很多场合下停机造成的损失。 需要说明的是，上述所有功能的实现，均由变频器的大脑&&主控系统来实现，北京利德华福变频器的主控系统大体由高速单片机处理器、人机界面、PLC组成。单片机处理器利用公司具有自主知识产权的先进矢量控制技术，通过光纤通讯的方式对每个功率单元进行PWM控制。人机操作界面解决高压变频调速系统本身和用户现场接口的问题，提供友好的全中文监控界面，使用方便、快捷，同时可以实现远程监控和网络化控制。内置PLC则用于柜体内开关信号的逻辑处理，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊需要。 三、改造方案 电机参数
高压变频器参数
改造方案如下图：
原有的串电阻调速方式继续保留，通过切换开关将高压变频器融入到原系统，保证两个系统操作的相对独立性。当变频器投入运行时，闭合QS3、QS4，通过转子切换柜将绕线式异步电动机转子短接，则变频器投入矿井提升机系统，变频器接受主控台指令正、反转及调速指令，驱动双电机同步调速正反转运行；当原有串电阻调速系统投入运行时，QS5、QS6 闭合，通过转子切换柜将原有电阻串入绕线式异步电动机转子回路，通过切换柜的变向及串入转子电阻的逐级切换，达到变向及调速的目的。上图中的QS3、QS4、QS5、QS6 等隔离开关相互之间保持机械互锁，且开关状态全部纳入主控台操作系统，这样，高压变频调速系统可以和原系统互为备用，增加矿井提升机运行的可靠性。变频器本体部分说明如下： 1）高压变频器采用单元串联多电平拓补结构，输入谐波小，功率因数高； 2）高压变频器为可以四象限运行的能量回馈型变频器，采用最先进的矢量控制技术，加速时可以实现最大的转矩输出，加速时间缩小至最短，而减速时，可以控制电机在四象限运行，输出制动转矩，减速时间缩至最短，同时，将势能转化为电能，回馈至电网，从而达到节能的目的； 3）考虑到矿用电网容量较小，变频器配备激磁涌流柜，在变频器送电初期，将激磁涌流抑制电阻投入主回路，延时两秒后，通过自动切换回路，切除激磁涌流抑制电阻，通过此种技术方案，降低变压器激磁涌流，保证变频器瞬间投入时不对电网造成电压波动； 4）单台变频器直接拖动两台电机，简化控制手段，降低故障风险。 四、变频器在矿井提升机系统中的应用
上图为双鸭山集贤煤矿立井双箕斗提升系统主要组成部分，系统中包括：电机、高压变频器、主控台、液压站、润滑站、高压开关柜、减速机、联轴器、双滚筒、箕斗、天轮及原串电阻调速系统，因本文主要讲述高压变频器在矿井提升机系统中的应用，关于串电阻调速系统则在本文中不再详述。 图中，高压变频器作为动力调速装置，在整个提升系统中起着举足轻重的作用，下面则对此进行详细说明。 变频器通过高压开关柜受高压电，并且通过变频器控制系统检测高压电的相序，电压等一系列参数，如果参数超出变频器正常范围，则利用变频器自身的保护功能对变频器实施保护，为了降低变压器初期受电的激磁电流，避免受电时电网波动对其他运行设备的影响，该变频器配备了激磁涌流抑制柜，降低激磁电流，降低电网波动的幅度。 变频器与主控台的接口主要如下： 变频器接受主控台的正转、反转、急停以及转速给定等指令，变频器反馈给主控台的信号有：待机、运行、轻故障、重故障、旁路故障、输出转速及输出电流等。 变频器受高压电后，主控台通过检测电机的待机信号，判断变频器已经可以运行，主控台在自动模式下，通过控制变频器，实现矿井提升机运行的5段速度曲线，即启动加速段、匀速段、一次减速段、匀速爬行段和二次减速制动段，下面一一说明。 1） 启动加速段：主控台接受井下操作人员的打点命令，对变频器输出正转或反转命令，变频器按照预先设定的加速时间运行至最低频率，将运行信号反馈给主控台，此时作用于双滚筒上的抱闸系统处于抱闸状态，滚筒静止，拖动滚筒的电机处于堵转状态。主控台接收到变频器运行信号后，判断变频器输出电流，当检测电流达到电机额定电流后（双电机系统，额定电流为单电机额定电流的二倍），证明电机已经获得了足够的励磁转矩，因液压站液压阀的机械特性有时会发生微小变化，为了避免溜车现象的发生，主控台在此稍做了延时，一秒钟后主控台驱动液压站液压阀，液压阀再驱动滚筒抱闸系统，松开抱闸系统，电机堵转结束，开始旋转，通过减速机，滚筒开始运行，从而通过钢绳拖动两只箕斗上下运行。变频器接受主控台转速给定信号，逐步提高运行频率，按照预先设定的加速时间逐步提高运行频率，滚筒转速逐步提高； 2 ）匀速段：当转速给定指令提高至50赫兹，变频器运行至50赫兹时，进入匀速段，此阶段，变频器维持最大输出，滚筒运行至最高速度，拖动箕斗在最高速度下运行； 3 ）一次减速段：主控台通过立井系统的位置传感器接收箕斗运行位置信号，当到达一次减速区间的时候，主控台按照预先设定的程序减小转速给定指令数值，变频器接收到新的转速给定数值后，执行，开始降低运行频率，拖动电机及滚筒减速运行。此时因箕斗之前还处于高速运行，突然降速后，由于惯性作用，电机进入发电状态，开始向变频器注入能量，变频器则利用自身的能量回馈功能，将此部分能量通过逆变回馈至电网，同时根据预先设定的降速曲线，对电机实施反作用力，达到快速降速的目的； 4 ） 匀速爬行段：主控台通过箕斗的位置传感信号，通过预设数值，给定变频器低转速数值，变频器在此转速信号下维持低频率输出不变，箕斗低速运行，进入匀速爬行段； 5） 二次减速制动段：主控台通过箕斗的位置传感信号，判断箕斗即将进入预定停斗位置后，给变频器更低转速信号，变频器运行至最低频率，当箕斗即将到达预定位置后，主控台发出急停指令，变频器停止驱动电机，同时控制液压站，关断液压阀，从而驱动滚筒抱闸系统，经过二级制动，抱闸系统抱死，滚筒静止，箕斗停运，执行卸煤及装载流程。需要说明的是，当主控台发急停指令的时候，变频器通过自身编程延时0.5秒停止频率输出，此种技术手段是为了保证在滚筒抱闸系统已经起作用的时候，变频器仍有短时间力矩输出，防止抱闸系统抱闸瞬间变频器力矩输出为零，引起溜车现象，经现场反复运行，证明了该方案的可行性。 当然，在变频器运行的各个阶段，主控台通过轴编码器，分别监测电机、滚筒的转速，除了显示箕斗运行速度、实时深度等数值，还通过多个速度监测结果综合判断系统运行是否正常，另外，通过立井位置传感器、绳索、润滑站、液压站、电机过热保护器等系列参数，实现矿井提升机系统的上过卷、下过卷、松绳、润滑油油压过低或过高（润滑站主要是给减速机润滑）、液压站油压过高或过低、电机过载、绞车过速等一系列保护功能。 变频器的加减速时间设置很重要，其设置根本原则有两个方面，第一，尽可能利用变频器自身的快速响应功能，加减速时间尽量短，提高箕斗的运行速度，提高生产效率；第二，最大加速度不允许超过国家安标，防止安全事故，基于以上两点考虑，实际应用中，变频器从0至50赫兹的加速时间设置为12秒，从50赫兹至0赫兹的减速时间设置为9.7秒，经现场实际运行，完全满足现场运行要求。 变频器运行中，不但自身具备完善的各项保护功能，还可以利用接口电路实时将故障信息传送给主控台，实现联锁保护，最大限度地保证矿井提升机系统的安全运行。 下面是一组现场主要设备实图，今展示出来，提高感性认识。
能量回馈高性能高压变频器调速系统
五、变频器在实际中应用遇到的问题及解决办法 实际调试过程中，曾经遇到如下问题：每次主控台给变频器正转或反转指令，变频器开始启动，在抱闸系统松开之前，提升机系统减速机部分都会发生&咣、咣&两声比较大的声响，很明显，不但产生噪音，而且对减速机的机械部分也是一种损害。仔细分析问题，最后把目光定在了电机与减速机之间的联轴器上，实物图如下：
蛇形弹簧联轴器属于一种结构先进的金属弹性变刚度联轴器，它靠蛇簧嵌入两半联轴节的齿槽内来传递扭矩，主要由两个半联轴节，两个半外罩，两个密封圈及蛇形弹簧片组成。联轴器以蛇形弹簧片嵌入两个半联轴节的齿槽内，来实现主动轴与从动轴的链接。运转时，是靠主动端齿面 对蛇簧的轴向作用力带动从动端，来传递扭矩，如此在很大程度上避免了共振现象发生，且簧片在传递扭矩时所产生的弹性变量，使机械系统能获得较好的减震效果，其平均减震率达36%以上。蛇形弹簧片采用优质弹簧钢制造经过严格的加工，处理具有良好的机械性能，使联轴器的寿命比非金属弹性元件联轴器大为延长。 问题就是出在蛇形弹簧联轴器上。因变频器为了满足现场快速启动的要求，设置了转矩提升功能，加大启动转矩,加速时间又很小( 从0到50赫兹之间仅为12秒) ，这样一来,当变频器启动，电机很快得到足够的励磁转矩，电机堵转，电机急速运行至变频器最低频率。此时，电机转矩较大，通过联轴器直接驱动减速机，减速机主动轮和从动轮之间是有间隙的，因此时抱闸系统处于抱闸状态，滚筒还处于静止状态，则减速机主动轴与从动轴齿轮间迅速发生碰撞，发生&咣&一声响，然而，变频器在低转速下，其输出转矩很显然无法和工频输出时相比，这样，当减速机主动轴齿轮与从动轴齿轮之间发生第一次碰撞后，因蛇形弹簧联轴器的弹性作用，瞬间产生反作用力矩，弹性越大，反作用力矩越强，而变频器此时输出的转矩则很难持续抗衡该反转矩，于是，蛇形弹簧联轴器带动电机瞬间反转，主动轴齿轮与从动轴齿轮之间又一次发生碰撞，又发生一次&咣&的声响，直至再次驱动从动轴时，此时滚筒抱闸系统已经松开，电机开始正常运行，则再无该机械声响。下一次，提升机从静止状态到运行状态，则现象依旧。 基于以上分析，最后，我们利用变频器先进的设置功能，在变频器加速时间上作了一些改动，将原有的加速时间分作三段，其中，在第一段加速时间为0至4赫兹2秒，第二段加速时间为4到15赫兹2秒，15至50赫兹加速时间为8秒。这样，保证在整个加速时间12秒不变，而主要是利用第一段加速时间来解决机械撞击的问题，即，当变频器接收到正转或反转指令后，启动，此时，电机的启动转矩依据第一段加速时间而逐步建立，其转矩的提升不再是瞬间至最大值，，而是有了一个斜度，作用在蛇形联轴器的力矩是个逐步增加的过程，充分利用了蛇形联轴器的弹性功能，不致于蛇形联轴器弹性过大，造成反力矩从而冲击从动轮，当力矩至最大时，滚筒抱闸系统已经松开，提升机系统开始提升，一切恰到好处，再无&咣、咣&的机械声响，问题得到彻底解决。 六、改造前后变频器与原串电阻调速系统的对比
七、结束语 绕线式电机转子串电阻调速，电阻上消耗大量的转差功率，速度越低，消耗的转差功率越大。使用能量回馈型变频调速，是一种不耗能的高效的调速方式。电机在发电状态下运行时还可以将能量回馈至电网，节能十分显著，取得了很好的经济效益。另外，提升机变频调速后，系统运行的稳定性和安全性得到大大的提高，减少了运行故障和停工工时，节省了人力和物力，提高了运煤能力，间接的经济效益也很可观。(
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干熄焦提升机控制系统的开发与研究
　　1.工艺概述
　　推焦装置将炽热的焦炭从焦炉炭化室中推出，落在焦罐台车上面的焦罐中。装满红焦的焦罐台车由电机车牵引至装置前，并与牵引装置的导轨对正，牵引装置将焦罐从电机车轨道上移到提升井的中心线上，由焦罐将焦罐提升并送到干熄炉顶，通过炉顶装入装置将焦炭装入干熄炉。在干熄炉中焦炭与惰性气体进行热交换，红焦冷却至200℃以下，经排焦装置卸至胶带机上，送到筛焦系统。
　　在整个过程中主要完成焦罐的提升、横移、装入动作，并且在焦炭装入结束后将空焦罐送回焦罐台车上。整个红焦装入过程的完成需要多个设备合作完成，包括APS定位装置、牵引装置、、装入装置。其中，APS定位装置完成焦罐台车的精确定位功能;牵引装置将焦罐台车从电机车轨道牵引至提升井中心线上，或由提升井中心线送回电机车轨道;完成焦罐的提升及横移走行;装入装置是在动作的过程中，打开或关闭干熄槽顶的炉盖和装焦漏斗，配合完成装焦动作。
　　2. 概述
　　本工程部分采用ABB公司的Freelance 2000集散，变频装置使用AB公司产品。提升和走行电机选用AB公司PowerFlex S2系列变频器，由于提升电机要长时间工作在发电状态，所以选择使用具有回馈能力的整流回馈单元RGU对公共直流母线进行供电，逆变部分通过公共直流母线挂在整流回馈单元RGU，实现电动机回馈制动功能。与变频装置之间通过Profibus总线进行通讯。变频装置的控制通过端子控制方式，通讯仅作为读取变频装置状态的途径使用。提升走行采用带速度的矢量控制模式。对于提升位置、走行位置的检测通过绝对值编码器完成。本系统位置编码器使用倍加福绝对值编码器，通过Profibus总线与连接。
　　3.变频装置
　　提升、走行电机变频控制装置选用AB公司的PowerFlex S2系列逆变装置，通过公共直流母线挂在整流回馈单元RGU，实现电动机回馈制动功能。与变频装置之间通过Profibus总线进行通讯。RGU为整流回馈单元，其主要功能有：通过控制能量流向，把进线侧3相交流电源转化为规定的直流母线电压;通过控制变压器把进线侧3相交流电源转化为交流115V控制电源。在RGU中功率元件采用IGBT。RGU可以工作在3种模式：电动状态，控制IGBT导通调节电压和电流，使电流由交流侧流向直流母线侧;再生状态，控制IGBT导通调节电压和电流，使电流由直流母线侧流向交流侧;二极管整流桥模式，RGU不调节电压和电流，功率元件工作在二极管整流桥模式，电流从交流侧流向直流母线侧。PowerFlex 700 S2变频装置是AB公司推出的Power Flex &7-系列&产品之一。&7-系列&产品有如下特点：功率范围广，性能强大;灵活性使复杂的应用简单化;高度集成，支持多种通讯协议的网络结构;优化的功率模块结构设计减小高次协波，反射波及控制干扰;紧凑的设计节省安装空间。并且本系列产品拥有力矩校验功能，可以使变频器在位能性负载的提升过程中与机械抱闸动作良好配合，防止出现溜车及电机堵转电流过大的情况，对机械及电气设备的使用寿命都有好处。当变频器在提升设备应用力矩校验功能时，变频器收到运行命令后，变频器首先快速建立磁通，输出转矩，在确认输出转矩存在的情况下，发出释放抱闸信号，在停车的过程中，首先使变频器进入其悬停状态，也就是说在变频器收到停车命令后，变频器减速到零速并可以在机械抱闸不动作的条件下维持零速的功能，在变频器进入悬停状态后，变频器输出控制抱闸闭合，然后撤销输出转矩。并且在力矩校验功能启用的条件下，变频器自动启用下列功能：溜钩保护、速度偏离保护(失速保护)、输出缺相保护和编码器丢失保护。使用力矩校验功能可以较为简单的实现变频器带电机作为提升设备的应用。
　　本次100t工程变频器主要采用端子控制方式，通讯功能作为读取变频器数据使用。走行变频器预设两档速度，提升变频器预设三档速度，根据不同的阶段给出提升和走行的不同速度选择。变频器启动、方向及速度选择信号由给出，抱闸控制由变频器本身完成。提升走行变频装置采用带有速度传感器的矢量控制方式，速度控制具有良好的精度和稳定性。启动制动性能好，可以在短时间完成零速到额定转速的启动过程或由额定转速减小到零速的制动过程，减少启动制动时间，有利于适应生产节奏的要求。
　　使用ABB公司的Freelance 2000集散，该系统兼具集散和可编程的优点，既拥有良好的，又具有快速的顺序逻辑控制功能。同时，组态工具应用简单灵活，操作上画面简单，思路清晰，便于操作控制，硬件安装维护方面简单快捷。Freelance 2000集散可以分成操作级、通讯级、过程级和工程师级，不同的部分有不同的作用。工程师级用于离线或在线组态及在线调试;操作级用于操作和观察、记录和归档、趋势和报警;通讯级用于工程师级、操作级、过程级之间的数据交换和通讯;过程级主要用于完成数据的获取和数值的处理、以及各种控制功能。集散系统的出现和进一步发展，主要是微处理器的商品化，以及通讯技术、计算机技术和现场控制理论密切结合的结果。其中，通讯网络是集散系统的重要桥梁，由它把现场控制装置、操作员站、工程师站等连接成一个完整的网络系统。Freelance 2000集散包括下列两层通讯网络：系统总线(Diginet S)和(Profibus/Modbus/CAN等)。系统总线基于标准的标准，主要作用是将的现场控制装置、操作员站、工程师站连接成一个网络;现场总线是现场控制装置中的通讯网络，由其完成现场设备与CPU间的数据交换与通讯。
　　配置方面采用仪表专业设置一套冗余DCS控制站，电气专业设置一套冗余DCS控制站的方法，总线形式采用Profibus-DP协议的冗余现场总线。部分电气与本体电气系统共用一套冗余DCS系统，在编程过程中通过不同任务加以区分。提升、走行变频装置通过Profibus-DP总线与连接，提升编码器、走行编码器同样通过Profibus-DP总线与连接进行数据交换。上位设置一台工程师站和四台操作员站，上位机通过以太网与下位机进行通讯。部分的程序控制主要为顺序控制及相关的联锁控制。由于要配合电机车、APS定位装置、牵引装置、装入装置一起工作，所以相关的联锁条件是必不可少的。的操作平时无人值守，要求动作全部自动完成，并且要求保持一定的生产节奏。本体的控制采用提升走行多段速度的方法，既可以提高一定的效率，又可以减小冲击及保证定位的精度。在横移走行的过程中，在自动运行的条件下，首先进入高速走行，到达减速位后降为低速，到达定位位置停车。在提升和下降运行的过程中，采用多次速度变化的方法，主要目的是减小设备冲击和提高运行节奏。提升过程中的速度控制由提升位置检测编码器提供位置信号以确定提升速度，配合提升井侧、熄焦室侧判断条件，及提升及上升下降判断条件选择不同的速度选择方法。如图(1)所示为自动运行过程中，提升及走行的速度分配方式。在提升及下降的过程中，提升速度的变化根据提升位置编码器的检测自动实现。控制的难点也在于装炉过程及返回过程中，提升和走行的速度分配问题。
　　系统投用以来，运行正常。在平时的维护过程中，我们发现，由于钢丝绳的拉伸及机械间隙的改变，提升位置检测编码器的检测数据较调试过程中稍有改变，在平时的维护过程中需要注意。避免因编码器检测信号变化引起影响系统运行的状况。此外，为了避免编码器在历次检测的过程中的积累误差问题，我们在下降到提升井最下端的钩开位时，在停止运行的条件下，对提升位置检测编码器的数据进行置为初始值操作。
[整理编辑：中国测控网]
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