摘要：變頻改造是礦井提升領(lǐng)域節(jié)能、安全技改的主要手段。本文分別對采用繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式和變頻調(diào)速方式的提升機系統(tǒng)的運行特性進行分析，結(jié)合開灤（集團）蔚州礦業(yè)公司南留莊煤礦提升機變頻改造的現(xiàn)場，介紹提升機系統(tǒng)變頻改造相關(guān)技術(shù)，以及HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在礦井提升系統(tǒng)上的應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞：礦井提升機、高壓變頻器、矢量控制、能量回饋

一、引言
　　在礦井的各動力設(shè)備中，提升機系統(tǒng)是最為重要、耗能最大的設(shè)備。提升機運行的可靠性直接影響礦井的產(chǎn)能和人員、設(shè)備升降井速度，直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)水平；同時提升機的調(diào)速方式也是對噸煤電耗水平影響最大的因素。
　　長期以來，礦用提升機普遍使用繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻的方法進行調(diào)速控制。該方法成本較低，但轉(zhuǎn)矩脈動大，電機電流大，能耗高，且轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制電路復(fù)雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，影響企業(yè)安全生產(chǎn)水平。隨著電力電子與電機控制技術(shù)的發(fā)展，采用變頻調(diào)速的方法可以從根本上解決上述問題。

二、繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式的運行特性分析
　　此方式通過切換交流接觸器或者可控硅，在電機的轉(zhuǎn)子回路串入不同阻值的電阻，起到調(diào)速運行的作用。根據(jù)實際工況不同，一般電阻分成4-8級，每級設(shè)有短接開關(guān)，如圖1所示（圖中為4級電阻調(diào)速系統(tǒng)）。

圖1：異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)電路圖

　　在電機啟動之初，所有短接開關(guān)處于分?jǐn)辔恢茫须娮璐?lián)入電機的轉(zhuǎn)子回路。當(dāng)電機加速至一定轉(zhuǎn)速時，閉合最靠中性點側(cè)的短接開關(guān)（圖1中最下端開關(guān)），電機轉(zhuǎn)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(guān)，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(guān)，而后隨著轉(zhuǎn)速的降低依次斷開另外幾組開關(guān)，直至所有電阻被串入轉(zhuǎn)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(cè)高壓斷路器。
　　根據(jù)電機學(xué)原理，異步電機在轉(zhuǎn)子串聯(lián)不同數(shù)量的電阻情況下的輸出轉(zhuǎn)矩（即電磁轉(zhuǎn)矩）與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖2所示，圖中縱軸為電機的轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比，橫軸為電機的輸出轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，圖2中的5條曲線由上至下依次是串聯(lián)0至4級電阻時電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線。串聯(lián)的電阻越多，低速下的輸出轉(zhuǎn)矩越大，高速下的輸出轉(zhuǎn)矩越小。
　　電機在串聯(lián)不同電阻時的定子電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖3所示，電機從電網(wǎng)吸收的有功功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖4所示。

圖2：轉(zhuǎn)子串不同電阻時電機輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖3：轉(zhuǎn)子串不同電阻時電機定子電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

圖4：轉(zhuǎn)子串不同電阻時電機功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

　　在加速過程中，一般采用轉(zhuǎn)矩最優(yōu)的控制方式，即在轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性中串不同電阻曲線的交叉點處切換短接開關(guān)，此方式下，電機在加速過程中能獲得最大的輸出轉(zhuǎn)矩，且開關(guān)動作前后電機的輸出轉(zhuǎn)矩連續(xù)變化。這一控制一般由絞車司機人工實現(xiàn)，也有系統(tǒng)用PLC自動控制完成。此控制方式下電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線如圖5中黑色粗線所示，圖5中彩色細(xì)線與圖2相同；圖6為電機定子電流與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，黑色粗線為上述開關(guān)切換控制方式下的實際曲線，彩色細(xì)線與圖3相同；圖7為電機從電網(wǎng)吸收的有功功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，黑色粗線為上述開關(guān)切換控制方式下的實際曲線，彩色細(xì)線與圖4相同。
　　圖中不難看出，在上述控制方式下，電機的加速過程近似為恒轉(zhuǎn)矩加速過程，電機輸出轉(zhuǎn)矩為1.8-2.1倍額定轉(zhuǎn)矩；在加速過程中，提升機系統(tǒng)消耗的有功功率在2-2.2倍額定功率間變化，即使在低速時，由于串入電阻耗能巨大，電機雖然輸出功率不大，但其從電網(wǎng)吸收的有功功率仍為額定功率的2-2.2倍；圖9中，黑色粗線與圖8相同，為電機從電網(wǎng)吸收的有功功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，藍(lán)色細(xì)線為電機輸出的軸功率與定轉(zhuǎn)子繞組損耗之和，二者之差為串聯(lián)電阻所消耗的功率。圖中不難看出，在高速段，由于串入的電阻較少，因此電阻上損耗所占比例不大，但在低速段，如電機的爬行階段和加速起步階段，電網(wǎng)提供的絕大部分功率被電阻所消耗，浪費了大量的能源。

圖5：轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制方式下，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線

圖6：轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制方式下，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速定子電流-轉(zhuǎn)速特性曲線

圖7：轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制方式下，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速功率-轉(zhuǎn)速特性曲線

圖8：轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制方式下，電機從電網(wǎng)吸收功率與必要功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

　　上述控制方式下，雖然電機能夠輸出最大的加速轉(zhuǎn)矩，但在加速過程中電機電流較大，約為2-3倍額定電流。因此在負(fù)載較輕時，有時為了降低加速時的電機電流，絞車司機會適當(dāng)提高各開關(guān)動作時的電機轉(zhuǎn)速，在電流降至額定電流時切換短接開關(guān)，此時電機的輸出轉(zhuǎn)矩、定子電流和從電網(wǎng)吸收的有功功率隨速度變化的曲線如圖9-12所示。
　　圖中可以看出，這種控制方式下，中速以上加速過程電機電流有所減小，約為1-1.7倍額定電流，電機的輸出轉(zhuǎn)矩也有所降低，約為1-1.7倍額定轉(zhuǎn)矩，且脈動增加，開關(guān)動作前后輸出轉(zhuǎn)矩有大幅跳躍，電機消耗的功率有所下降，但由于加速轉(zhuǎn)矩較低，加速時間較長，實際加速過程所耗電能并未減少。由于加速轉(zhuǎn)矩較低，因而此控制方法不適用于重載提升場合。
與轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制方式類似，在低速爬行階段和加速的初始階段，電網(wǎng)提供的電能的大部分由電阻消耗，電能浪費嚴(yán)重。

圖9：額定電流切換控制方式下，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線

圖10：額定電流切換控制方式下，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速定子電流-轉(zhuǎn)速特性曲線

圖11：額定電流切換控制方式下，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速功率-轉(zhuǎn)速特性曲線

圖12：額定電流切換控制方式下，電機從電網(wǎng)吸收功率與必要功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

三、變頻調(diào)速方式的運行特性分析
　　變頻調(diào)速的運行方式是指將電機的轉(zhuǎn)子繞組短接，通過變頻器內(nèi)的電力電子器件將工頻電網(wǎng)50Hz的電壓轉(zhuǎn)換成其他頻率的電壓，加在電機的定子繞組上。通過調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速上。其電路結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13：變頻調(diào)速方式系統(tǒng)接線圖

　　與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的方式相比，變頻調(diào)速具有電機電流小、電機工作平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動小、電機可控性高、節(jié)能等特點。
　　變頻調(diào)速按照控制方法主要有VVVF控制、滑差頻率控制、直接轉(zhuǎn)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(xiàn)電機磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，具有最優(yōu)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(yīng)礦井提升機負(fù)載的需要。
　　在矢量控制方式下，變頻器能夠根據(jù)測量到的電壓、電流信號，以及事先測得的電機參數(shù)，根據(jù)內(nèi)建的電機模型，計算出電機的磁通位置、磁通幅值、輸出轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速。而后根據(jù)該轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的偏差，對輸出轉(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)，如需要的輸出轉(zhuǎn)矩大于設(shè)定的“最大轉(zhuǎn)矩”，按照最大轉(zhuǎn)矩輸出。
　　在設(shè)定的“加速時間”充分短的時候，電機按照最大轉(zhuǎn)矩進行加速，設(shè)置“最大轉(zhuǎn)矩”為2倍額定轉(zhuǎn)矩時，額定負(fù)載下電機加速過程的轉(zhuǎn)矩，電機電流、電機功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線如圖14-16所示。此時，電機按照2倍額定轉(zhuǎn)矩加速，加速完成后，其輸出轉(zhuǎn)矩為實際負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即1倍額定轉(zhuǎn)矩。

圖14：最大轉(zhuǎn)矩限制的矢量控制變頻調(diào)速方式下，電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線

圖15：最大轉(zhuǎn)矩限制的矢量控制變頻調(diào)速方式下，電機的定子電流-轉(zhuǎn)速特性曲線

圖16：最大轉(zhuǎn)矩限制的矢量控制變頻調(diào)速方式下，電機的功率-轉(zhuǎn)速特性曲線

　　在實際使用中，由于提升機系統(tǒng)一般對于最大加速度有一定的限制，因此“加速時間”一般根據(jù)期望的加速度進行設(shè)置，按照該設(shè)置進行加速時，一般無需到達(dá)設(shè)定的最大轉(zhuǎn)矩，圖17-19為典型的加速時間設(shè)置情況下，負(fù)載為額定轉(zhuǎn)矩時加速過程的轉(zhuǎn)矩、電流、功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線。在提升機啟動時，先啟動變頻器后松閘，此時電機施加最大轉(zhuǎn)矩；而后電機根據(jù)設(shè)定的加速曲線進行加速，此時的電機輸出轉(zhuǎn)矩由負(fù)載和設(shè)定的加速時間（加速度）所確定，約為1.3倍額定轉(zhuǎn)矩，其中負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1倍額定轉(zhuǎn)矩，加速轉(zhuǎn)矩為0.3倍額定轉(zhuǎn)矩；隨著轉(zhuǎn)速的上升，物理系統(tǒng)的阻力有所增加，電機的輸出轉(zhuǎn)矩略有增加；到達(dá)給定轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速）后，電機停止加速，帶負(fù)載穩(wěn)定運行，輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相同。

圖17：加速時間限制的矢量控制變頻調(diào)速方式下，電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線

圖18：加速時間限制的矢量控制變頻調(diào)速方式下，電機的定子電流-轉(zhuǎn)速特性曲線

圖19：加速時間限制的矢量控制變頻調(diào)速方式下，電機的功率-轉(zhuǎn)速特性曲線

四、變頻調(diào)速方式與轉(zhuǎn)子串電阻方式的對比
　　與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式相比，在相同的負(fù)載下，加速過程中變頻調(diào)速方式電機轉(zhuǎn)矩脈動更小，電機電流更小，低速下從電網(wǎng)吸收的功率更小。這就意味著變頻調(diào)速方式下，電機老化程度更低，加速更平穩(wěn)，所乘人員舒適性更好，且具有顯著的節(jié)能效果。
　　圖20-22為兩種方式的對比曲線，其中，藍(lán)色粗線為變頻調(diào)速方式（加速時間限制方式），黑色細(xì)線為轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式（額定電流切換控制方式）。

圖20：兩種控制方式下，電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性對比曲線

圖21：兩種控制方式下，電機的定子電流-轉(zhuǎn)速特性對比曲線

圖22：兩種控制方式下，電機的功率-轉(zhuǎn)速特性對比曲線

五、運行現(xiàn)場情況簡介
1.現(xiàn)場提升機基本情況
　　運行現(xiàn)場位于開灤（集團）蔚州礦業(yè)公司南留莊煤礦。開灤享有“中國近代煤炭工業(yè)源頭”、“中國北方民族工業(yè)搖籃”的美譽。開灤（集團）有限責(zé)任公司的前身為“開平礦務(wù)局”，始建于1878年，迄今已有130年的歷史，是中國最古老的煤礦。2007年，開灤集團公司生產(chǎn)原煤突破2978.62萬噸，生產(chǎn)精煤754.88萬噸，營業(yè)收入突破150億元；2008年，開灤集團公司在全國500強企業(yè)排名中，名列291名，南留莊煤礦是其下屬的煤礦企業(yè)之一。
　　本次變頻改造的為主、副井提升機各1臺，均為豎井雙箕斗提升機，提升高度211米，最大運行速度3.27m/s，最小運行速度0.5m/s，配用電機為主井200kW/6kV，副井280kW/6kV，配用減速機減速比30倍，變頻改造前，使用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制系統(tǒng)，調(diào)速電阻級數(shù)為8級。
　　圖23為提升機系統(tǒng)現(xiàn)場照片，圖24為提升系統(tǒng)原先所用調(diào)速電阻的照片。變頻改造前，提升機在啟動時電機振動較大，在低速爬行階段和加減速階段速度控制性能差，加減速過程轉(zhuǎn)矩脈動大、罐籠平穩(wěn)性較差、纜繩擺幅較大，人員升降舒適性差；升降、加減速過程完全由絞車司機手動控制，控制不當(dāng)易造成過放和過卷事故。由于提升機頻繁啟動和制動，在加減速過程中轉(zhuǎn)子所串電阻產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的能耗，再加上串電阻調(diào)速控制電路復(fù)雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，已經(jīng)影響到了企業(yè)的生產(chǎn)效益。另外，串電阻調(diào)速系統(tǒng)還存在著占地面積大、發(fā)熱量高、噪聲大等缺點。

圖23：運行現(xiàn)場原先所用調(diào)速電阻

圖24：運行現(xiàn)場原先所用調(diào)速電阻

2.HARSVERT-FVA系列高壓變頻器基本情況
　　此次變頻改造選用2臺HARSVERT-FVA06/035高壓變頻器，額定電壓6kV，額定電流35A，額定功率320kW，額定容量400kVA。
　　HARSVERT-FVA系列高壓變頻器是北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的新一代能量回饋型矢量控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)首創(chuàng)無網(wǎng)側(cè)電抗器的四象限單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，通過無速度傳感器矢量控制算法對電機進行精確的控制。
　　利德華福成立于1998年，是一家年銷售收入8億元，正以年均增長率超過50%高速發(fā)展，并且擁有核心自主知識產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)企業(yè)，在國內(nèi)高壓大功率變頻調(diào)速自動控制產(chǎn)品及技術(shù)解決方案等領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位。自2000年研制成功國內(nèi)第一臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)以來，目前產(chǎn)品與服務(wù)行銷中國及歐洲、北美、南美、非洲、西亞、南亞、東南亞、澳洲等市場區(qū)域，自2004年起一直占據(jù)本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)、產(chǎn)品及市場領(lǐng)先地位。
　　HARSVERT-FVA系列能量回饋型矢量控制高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜和控制柜組成，其外觀如圖25所示，主回路結(jié)構(gòu)如圖26所示。激磁涌流抑制柜內(nèi)設(shè)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(nèi)裝有整流變壓器，將網(wǎng)側(cè)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(lián)構(gòu)成變頻器的高電壓輸出。變壓器柜和功率柜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖27所示。

圖25：HARSVERT-FVA系列高壓變頻器外觀

圖26：HARSVERT-FVA系列高壓變頻器結(jié)構(gòu)

圖27：HARSVERT-FVA系列高壓變頻器主電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖28：HARSVERT-FVA系列高壓變頻器功率單元結(jié)構(gòu)

圖29：6kV/5級功率單元串聯(lián)的HARSVERT-FVA系列高壓變頻器輸出線電壓波形

　　功率單元是整臺變頻器實現(xiàn)變壓變頻輸出的基本單元，每個功率單元都相當(dāng)于一臺交直交電壓源型單相低壓變頻器。功率單元整流側(cè)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(cè)為4只IGBT組成的H橋，如圖28所示。每個功率單元內(nèi)設(shè)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(shù)，變頻器的輸入電流具有較高的功率因數(shù)（PF＞0.95）和較低的諧波含量（THD＜4%）。
　　變頻器主控系統(tǒng)通過光纖統(tǒng)一控制各功率單元的輸出側(cè)IGBT，使變頻器整機輸出疊加后的多電平的PWM，如圖29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，在減速制動和下方重車時能夠?qū)⒛芰炕仞佒岭娋W(wǎng)，共廠內(nèi)其他設(shè)備使用，降低企業(yè)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(zhuǎn)矩進行精確的解耦控制，能夠?qū)崿F(xiàn)零速（抱閘狀態(tài)）200%轉(zhuǎn)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(fù)載進行了特殊設(shè)計，其輸出過載能力達(dá)200%/60秒，完全滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需要。
3.現(xiàn)場變頻改造情況
　　現(xiàn)場的2臺提升機于2009年1月20日開始進行自動化變頻改造，1月29日試運行，2月1日正式投運，截至本文發(fā)稿時，已連續(xù)運行2個月無故障。
　　變頻改造后，設(shè)備運行曲線如圖30所示，其中，紅色曲線為井筒深度，黑色曲線為電機定子電流，藍(lán)色曲線為測速發(fā)電機實測電機轉(zhuǎn)速，綠色曲線為碼盤測量的電機轉(zhuǎn)速，由于碼盤安裝于減速箱低速端，因此其測量結(jié)果誤差較大。
　　變頻改造后，實現(xiàn)了提升機加減速過程的平穩(wěn)控制，運行過程纜繩擺幅明顯減小，人員升降舒適性明顯提高，電動機啟動電流與啟動時振動顯著降低；自動化電控系統(tǒng)很好的防止提升機過卷和過放事故發(fā)生；省去了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果；克服了接觸器、電阻器繞線電機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發(fā)生率，給企業(yè)帶來了實際的利益，串電阻調(diào)速系統(tǒng)占地面積大、發(fā)熱量高、噪聲大等問題也得到了解決。

四、總結(jié)
　　本文根據(jù)電機學(xué)模型，著重分析了繞線式異步電機在轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式和矢量控制變頻調(diào)速方式下的運行特性，分析表明，在相同的負(fù)載下，與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速相比，矢量控制變頻調(diào)速方式下電機轉(zhuǎn)矩脈動小，電機電流小，低速段能耗低。變頻改造能夠顯著降低設(shè)備振動、磨損，具有很大的節(jié)能效果。
　　2臺HARSVERT-FVA系列能量回饋高壓變頻器在開灤（集團）蔚州礦業(yè)公司南留莊礦提升機系統(tǒng)的應(yīng)用證明了，對提升機系統(tǒng)進行變頻改造可顯著提高運行平穩(wěn)性、人員升降的舒適性，降低纜繩擺動幅度，降低電機啟動電流，提高系統(tǒng)的整體可靠性、安全性，提高系統(tǒng)效率。