HARSVERT-FVA系列高压变频器在煤矿提升机的应用

1 引言

　　“豫北明珠”、“河南省文明煤矿”——安阳鑫龙（集团）主焦煤业公司位于安阳县伦掌乡境内，西邻大白公路，北接河北磁县，南望安李铁路，交通十分便捷。

　　公司现有员工1000多人，生产能力将达到年产90万吨，产值增至9亿元，实现利税近3亿元，近几年来，先后获得“河南省安全质量标准化先进单位”、全省煤矿“管理创新最佳企业”、“河南省五一劳动奖章”、“安阳市五好党组织”、“安阳市效益最佳企业”、“河南省文明煤矿”等诸多荣誉称号。公司主要产品为焦煤，属国家稀有煤种，低磷、特低硫、高发热量，用途广泛。现有地质储量5526万吨，可采储量2726万吨。

　　安阳鑫龙（集团）主焦煤业公司矿用提升机使用绕线式异步电机转子串电阻的方法进行调速控制。该方法成本较低，但转矩脉动大，电机电流大，能耗高，且转子串电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，影响企业安全生产水平。随着电力电子与电机控制技术的发展，采用变频调速的方法可以从根本上解决上述问题。安阳鑫龙（集团）主焦煤业公司领导通过考察国内用户现场使用提升机变频器的情形后，决定选用北京利德华福电气技术有限公司的harsvert-fva06/075型（560kw/6kv）高压提升机变频器，对提升机系统进行系统改造。

2 原绕线式异步电机转子串电阻调速方式的运行特性分析

矿井提升机通常采用绕线式电动机作为主驱动，用于提升或下降重物，具有典型的位能负载特性，是矿业的通用设备。在电机启动之初，所有短接开关处于分断位置，所有电阻串联入电机的转子回路。当电机加速至一定转速时，闭合最靠中性点侧的短接开关（图1中最下端开关），电机转子所串电阻减少，随着电机进一步加速，绞车司机依次闭合另外几组短接开关，直至所有电阻被短接，电机运行至最高速。

　　电机减速时，先断开靠近电机绕组的短接开关，而后随着转速的降低依次断开另外几组开关，直至所有电阻被串入转子回路，进入爬行阶段，绞车到位后启动抱闸，同时断开定子侧高压断路器。

　　此运行方式有如下弊端：

　　（1）由于启动及调速等方面的需要，通常都是在线绕式电动机的转子回路串接电阻，来改变电机的输出转矩，从而降低电机启动电流，以实现小范围的转差变速，去适应负载的突变持性。并实现电动机的分级调整。这种控制方式带来如下弊端：转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。

　　（2）电阻分级切换，实现有级调速，设备运行不平稳，引起电气及机械冲击。低速转矩小，转差功率大，启动电流和换档电流冲击大，中高速运行振动大，制动不安全不可靠，对再生能量处理不力，在提升机运行中调速不连续，容易掉道，故障率高。矿用提升机生产是24h连续作业，即使短时间的停机维修也会给生产带来很大损失。

　　（3）再生发电时，机械能回馈电网，造成电网功率因数低。尤其在供电馈线较长的应用场合，会加大变压器、供电线路等方面的投资。

　　（4）接触器频繁投切，电弧烧伤触点，影响接触器的使用寿命，设备维修成本较高。

　　（5）绕线电动机滑环存在的接触不良问题，容易引起设备的事故。

3 变频调速方式的运行特性分析

　　变频调速的运行方式是指将电机的转子绕组短接，通过变频器内的电力电子器件将工频电网50hz的电压转换成其他频率的电压，加在电机的定子绕组上。通过调节变频器输出电压的幅值、频率和相位控制电机运行在期望的转速上。其电路结构如图2所示。

　　与转子串电阻调速的方式相比，变频调速具有电机电流小、电机工作平稳、转矩脉动小、电机可控性高、节能等特点。

　　变频调速按照控制方法主要有vvvf控制、滑差频率控制、直接转矩控制、矢量控制等，其中，矢量控制能够通过对电机的建模运算，实现电机磁通和转矩的解耦控制，具有最优的控制性能。本文所述harsvert-fva系列高压变频器即采用此控制方法，其良好的控制性能，尤其适应矿井提升机负载的需要。

　　在矢量控制方式下，变频器能够根据测量到的电压、电流信号，以及事先测得的电机参数，根据内建的电机模型，计算出电机的磁通位置、磁通幅值、输出转矩和电机转速。而后根据该转速与给定转速的偏差，对输出转矩进行调节，如需要的输出转矩大于设定的“最大转矩”，按照最大转矩输出。

　　与转子串电阻调速方式相比，在相同的负载下，加速过程中变频调速方式电机转矩脉动更小，电机电流更小，低速下从电网吸收的功率更小。这就意味着变频调速方式下，电机老化程度更低，加速更平稳，所乘人员舒适性更好，且具有显著的节能效果。

4 运行现场情况简介

　　4.1 harsert-fva系列高压变频器基本情况

　　此次变频改造选用1台harsvert-fva06/075高压变频器，额定电压6kv，额定电流75a，额定功率560kw。

　　harsvert-fva系列高压变频器是北京利德华福电气技术有限公司生产的新一代能量回馈型矢量控制高压变频调速系统，该系统首创无网侧电抗器的四象限单元串联多电平结构，通过无速度传感器矢量控制算法对电机进行精确的控制。

　　harsvert-fva系列能量回馈型矢量控制高压变频器采用单元串联多电平的拓扑结构，由激磁涌流抑制柜、变压器柜、功率柜和控制柜组成，主回路结构如图3所示。激磁涌流抑制柜内设有真空接触器和限流电阻，限制变频器高压上电时的充电电流和激磁涌流不超过其额定电流；变压器内装有整流变压器，将网侧高压变换为副边的多组低压，为功率柜中的功率单元（低压交-直-交变流器）供电，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，各功率单元输出串联构成变频器的高电压输出。变压器柜和功率柜的拓扑结构如图4所示。

　　功率单元是整台变频器实现变压变频输出的基本单元，每个功率单元都相当于一台交-直-交电压源型单相低压变频器。功率单元整流侧用igbt三相全桥可控整流，中间采用电解电容滤波和储能，输出侧为4只igbt组成的h桥，如图5所示。每个功率单元内设dsp高速运算器，进行可控整流算法的运算和控制。由于采用可控整流技术，变频器的输入电流具有较高的功率因数（pf＞0.95）和较低的谐波含量（thd＜4%）。

　　变频器主控系统通过光纤统一控制各功率单元的输出侧igbt，使变频器整机输出叠加后的多电平的pwm波形，如图6所示。该电压具有很高的正弦度，谐波含量很低。

　　harsvert-fva系列能量回馈高压变频器由于采用igbt三相全桥可控整流，具有100%功率的能量回馈能力，在减速制动和下放重车时能够将能量回馈至电网，供其他设备使用，降低企业整体电耗水平，尤其适合矿井提升等四象限运行工况需要。

　　变频器采用先进的无速度传感器矢量控制算法，对电机的磁通和转矩进行精确的解耦控制，能够实现零速（抱闸状态）200%转矩启动、频繁快速起停、快速加速、快速制动等功能。

　　harsvert-fva系列高压变频器对矿用提升机负载进行了特殊设计，其输出过载能力达200%/60s，完全能满足现场应用的需要。

　　4.2 现场变频改造情况

　　在整个的提升机系统中，高压变频器担负着电气传动和调速的重任，是主控命令的执行者，有着频繁启动、停止及其加减速的工作模式。当主令控制器推离零位后，经过可编程控制器的运算发出标准的模拟量（电压源和电流源）信号作为高压变频器的模拟输入给定，高压变频器按主控台发出的给定，按设定要求输出对应频率和电压驱动电动机加速运行。随着高压变频器输出频率由最低升至最高时，提升机按设定的运行曲线加速进入等速段，当提升容器运行至减速点时，主控台通过给定信号控制变频器按规定要求减速运行，此时变频器输出频率由最高频率按要求逐渐降为设定的爬行速度对应得频率（一般为5hz左右），提升机从正常阶段进入减速段运行。当速度降到设定的速度时，提升机进入到低速段（爬行段）运行，并保持该速度运行。当提升容器运行到卸载位置时，主控台检测到容器到位信号后，工作闸回路断电抱闸