大功率雙機拖動型礦井提升機變頻調速技術研究

一、引言

在煤礦生產中，礦井提升機起著非常重要的作用，它是礦山生產的關鍵設備。提升機電控裝置的技術性能，既直接影響礦山生產的效率及安全，又代表著礦井提升機發展的整體水平。因此，要求礦井提升機拖動系統具有安全可靠，運行高效且定位準確的能力。

我國礦井提升機匹配交流異步電機拖動容量在1000KW以上的，多采用雙電機拖動形式。以淮北礦業股份有限責任公司桃園煤礦主井提升機為例，該提升機型號為JKM-3.25/4Ⅱ，減速機型號為ZHD2R－140K；采用兩臺異步繞線型電動機拖動，電機型號為YR800-16/1730，800KW。原有提升電控系統采用交流繞線式電機轉子串電阻調速控制系統。系統主要缺點表現在：調速性能差，調速時能量要大量消耗在電阻上，給定方式落后，控制精度低，安全保護和監測環節不完善，安全可靠性差，維護工作量大，而且運行不經濟。

2009年，淮北礦業股份公司與北京合康億盛變頻科技股份有限公司進行合作，開發研制了HIVERT-YVF型大功率雙機拖動型礦井提升機四象限高壓變頻調速裝置，采用有速度傳感器矢量控制的高壓變頻器以“一拖二”的方式來實現高精度、大轉矩調速控制，在桃園礦主井提升機上進行了成功應用。

二、研究的內容和方法

本項目主要研究內容為采用一臺有速度反饋矢量控制變頻器同時拖動兩臺異步電機，實現兩臺電機輸出同樣的轉矩電流、勵磁電流、轉矩、功率分配均勻，整個調速范圍內平滑無脈動，低速運行平穩，電流波形正弦度高。

   本項目研究方案主要有以下特點：

   1、采單套變頻器拖動兩套異步電機，實現了現場設備少，安全系數高，系統也得到了單變頻拖到單電機的高可靠性。

   2、單套變頻器驅動雙電機的時候，由于雙電機為硬連接驅動，其實負載為同一負載，這個時候，從理論上來說，因為雙電機為同型號電機，基本特性一致，可以理解為雙電機也就是為單電機的雙繞組。經過實驗及現場驗證，所得到的效果確實為一電機的效果。   

   3、考慮到系統的安全、穩定性，在拖動系統中采用了主從控制系統中的速度隨從控制，在出現單臺電機出現意外的時候，起到預防型作用。在雙電機尾端采用了軸編碼器測試實際單電機轉速，雙機中任何一臺可做為主機，另外一臺作為從機。

三、矢量控制四象限變頻器“一拖二”可行性分析

   矢量控制變頻器實現一拖二的基本條件是2臺電機參數完全相同或者接近。軸端硬連接雙電機系統較單電機提升系統有諸多不同，尤其在傳動部分有很大區別，減速機可以簡單理解為3個齒輪咬合，2個主齒輪分別由2臺電機拖動，與兩個主齒輪同時咬合的半徑較大副齒輪的出軸端與滾筒相連。只要2臺電機轉速、轉向保持一致，既可以保證整個系統的傳動正常運作。

   由于這種雙電機硬連接方式在硬件條件上已經限制了在滾筒的終端轉速是絕對一致的，假設2臺電機的電動負載出現了不平衡現象，那反映到轉速上2臺電機仍然是一樣的，只是其中一臺電機在帶動另一臺電動運行，一臺反而在發電運行。所以簡單來說，只要保證了2臺電機的轉矩電流一致，即可保證電功率的平衡，并且轉速已經一致，那么速度傳感器只需要2臺電機中的一個即可保證雙電機系統的正常運行。

   那么如何來保證2臺電機的轉矩也就是出力一致呢？

首先我們從異步電機的等效電路來分析對于兩臺電機的數學模型基本參數如何建立：

     圖1 異步電機穩態等值電路圖

   上圖是異步電機等效電路，U1為外加電壓、R1定子電阻、L1定子電感、R2轉子電阻、L2轉子電感、Rm勵磁電阻、Lm勵磁電感、I0勵磁電流、I1定子電流、I2轉子電流、S為轉差率。單臺電機如此，假設兩臺電機并聯，從上圖可以看出，并聯后電機等效參R1、L1、R2、L2、Lm數值均為單個電機參數的1/2，而空載勵磁電流I0為單個電機的2倍。而轉子時間常數的計算方法如下，Tr為轉子時間常數：

   由上公式可以看出轉子時間常數只與3個參數有關系，而隨著總電流的同倍增大， 的關系一直保持不變，所以Tr也是個常數與單臺電機數值一致。由此看來，只要兩臺電機的等效數學模型一樣或接近，即可將雙電機系統當作一臺雙繞組電機來處理，只是勵磁電流與轉矩電流加倍而已。

圖2 矢量控制框圖

   HIVERT-YVF系列變頻器采用有速度傳感器矢量控制技術。在轉子磁場定位坐標下電機定子電流分解成勵磁電流與轉矩電流。維持勵磁電流不變，控制轉矩電流也就控制電機轉矩。電機轉速采用閉環控制。實際運行中給定轉速與實際轉速的差值通過PID調節生成轉矩電流IT。經過矢量變換將IT、IM變換為電機三相給定電流Ia*、Ib*、Ic*，它們與電機運行電流相比較生成三相驅動信號。控制原理框圖如上圖。

   根據電機的轉差計算公式 ，轉差與電機轉矩電流IT*成正比，與電機勵磁電流IM*成反比。電機勵磁電流IM*在額定運行頻率下，與電機空載激磁電流I0相等；轉差與轉子時間常數成反比，由于并連后R2、L2均為單個電機參數的1/2，轉子時間常數不變，而電機轉矩電流IT*與電機空載激磁電流I0均增加一倍，因此轉差計算公式不受影響，因此可以將傳感器裝在速度精度要求高的一個電機上，實現一拖二功能。如此執行該方案還具備一個優點，如果一個電機的電動負載突然增加，整個系統的轉矩電流會突然增大，轉差頻率會增加，變頻器輸出頻率會增加，除其本身的轉矩會增加外，另外一臺的轉速也上升，達到了負荷轉矩的自動動態分配，反之對于制動負載也完全適合。

四、系統組成及硬件

   HIVERT-VF系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關元件為IGBT。HIVERT-VF變頻器采用功率單元串聯，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術，因而具有很高的可靠性。6kV系列每相6個單元，下圖為6kV變頻器系列的主回路示意圖。

圖3 變頻器拓撲圖

功率單元：HIVERT-VF系列產品具備100%定額功率的能量回饋能力。其結構圖如下：

圖4 功率單元內部主回路

  功率單元利用IGBT進行同步整流，同步整流控制器實時檢測單元電網輸入電壓，利用鎖相控制技術得到電網輸入電壓相位，控制整流逆變開關管所構成的相位與電網電壓的相位差，便可控制電功率在電網與功率單元之間的流向。逆變相位超前，功率單元將電能回饋給電網，反之電功率由電網注入功率單元。電功率大小與相位差成正比。電功率的大小及流向由單元電壓決定，就同步整流而言，整流側相當于一個穩壓電源，與電功率大小及方向相對應的電網與逆變相位差由單元電壓與單元整定值之間的偏差通過PID調節生成。

   輸入側U、V、W處的電壓電流波形

             同步整流狀態                      能量回饋狀態

  大功率雙機拖動型變頻調速裝置于2009年9月份制造完成，10月初完成各項試驗和驗收。2009年11月，桃園礦利用停產檢修時間，在主井安裝了高壓變頻調速電控系統。通過現場調試、試運轉，在各種工況條件下都能夠滿足提升工藝的要求，提升機運行曲線平滑，加、減速度調整、方便、快速。

五、結論

   本項目采用一臺HIVERT-YVF06/250（變頻器容量2250kVA，適配電機1800kW）的變頻器來拖動2臺800kW的異步電機（電機參數相同），該變頻器是矢量控制、再生制動、四象限運行的變頻器，功率平衡由變頻器內核自己完成。通過在兩臺電機軸端部同時安裝編碼器（一用一備），通過參數的調整建立雙電機數學模型，通過控制兩臺電機的勵磁電流以及轉矩電流達到功率平衡，從而實現一臺變頻器拖動兩臺電機的目的。

   尤其是采用了再生制動方式的變頻器，使提升機在減速段或重物下放操作時變頻器能自動轉入發電反饋狀態，使制動更平穩，操作更簡單，有速度傳感器的矢量控制的應用，使得變頻器具有低頻轉矩大、調速平滑、調速范圍廣、精度高、操作簡單的特點。運用了高壓變頻器的成熟技術，使得運行安全穩定、故障率低、基本免維護，技術先進、保護齊全，操作方便，節能效果顯著（與原電阻調速系統相比，可節電20％），功率因數高（0.95以上），諧波含量極少，符合國家標準。

   大功率雙機拖動型四象限高壓變頻器可應用于交流提升機轉子串電阻電控系統改造及新提升機電控系統配置，提高了礦山提升機控制技術和裝備水平，確保了提升機高質量運行實現了高轉矩、高精度、寬調速范圍驅動，是交流提升機電控系統發展的方向，應用前景廣闊。2010年，該項目通過了安徽省科技廳組織的科技成果鑒定，其技術性能達到國際先進水平。

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產品看上去還可以，難能可貴的是還是咱們國產的，贊一個。

煤礦企業果然還是土豪啊~
而且現在礦上的工人據說年薪都6W唉，我還不如去挖煤~

我覺得像煤礦提升機這種使用頻率高，而且比較重要的設備，安全保障一定要做好~而且后期維護也非常重要

國產的變頻器還真的很少見，不知道可靠性怎么樣~

呵呵~這個有點兒意思啊
采用的是再生制動方式的變頻器
看上去還不錯！

額，都是一些公式圖，有項目的實際操作圖么？讓草民瞻仰下~

LZ辛苦了，這種專業的應用案例還真是很少見。。見了也是收費的~~

謝謝分享~~·

目前合康變頻這個“一拖二”的方式還是很不錯的，技術含量比較高

不錯，像是論文一樣啊，還有觀點，就是回饋狀態那里不知道能不能給個清晰的圖片信息，否則看不到回路啊