四象限高壓變頻器在鐵礦提升機(jī)上的應(yīng)用

1 概述

山東金嶺鐵礦始建于1948 年，是山東省開采歷史最悠久的黑色多金屬礦山，金嶺鐵礦資源豐富，目前保有地質(zhì)儲(chǔ)量6 000余萬t;正在準(zhǔn)備開發(fā)建設(shè)的王旺莊礦區(qū)儲(chǔ)量5 300萬t。以盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高爐富鐵礦和伴生銅、鈷、金、銀等享譽(yù)中外。經(jīng)過幾十年的建設(shè)和發(fā)展，已成為采選、燒結(jié)、煉鐵、生活服務(wù)、文教衛(wèi)生自成體系的綜合性大型國有企業(yè)。該礦副井(直井)提升絞車采用線繞式異步電動(dòng)機(jī)，用轉(zhuǎn)子串電阻的方法調(diào)速。這種系統(tǒng)屬于有級(jí)調(diào)速，低速轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)差功率大，啟動(dòng)電流和換擋電流沖擊大，加之該提升系統(tǒng)還擔(dān)負(fù)著人員、材料等提升任務(wù)，提升重量每鉤都有可能改變，造成了提升系統(tǒng)在調(diào)速控制階段速度控制較為困難，而且此井還有一個(gè)特點(diǎn)就是偏口特別多，井深只有400 m，井口1個(gè)，偏口分布為160 m處1個(gè)，220 m處1個(gè)，247 m處1個(gè)，280 m

處1個(gè)，340 m處1個(gè)。可以看出兩個(gè)偏口間的距離是很近的，很多情況下是還沒有加到全速就得停車，大量電能消耗在電阻上，而且停車位置不能很準(zhǔn)確地定位。為改善提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和提高控制精度的目的，該企業(yè)決定采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-315T四象限高壓變頻器對(duì)絞車的拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。

原礦山提升機(jī)絞車電機(jī)有關(guān)參數(shù)：

型號(hào)JR157-10;

功率260 kW;

電流33.5 A/403 A;

電壓6 000 V/415 V。

2 對(duì)高壓變頻器主要的技術(shù)要求

礦山提升機(jī)是鐵礦等礦山企業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，一旦提升機(jī)不能正常工作，將使全礦停產(chǎn)，而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此要求高壓變頻器具有極高的可靠性。由于提升機(jī)類負(fù)載對(duì)變頻器有著不少特殊的要求，所以一般普通高壓變頻器不可能直接用到提升機(jī)上?？偟膩碚f，提升機(jī)對(duì)變頻器的主要要求如下：

1)要求可靠性高;

2)要求能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，解決能量回饋;

3)要求有完善的數(shù)字控制功能;

4)技術(shù)指標(biāo)要求高(例如啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩2倍以上，150%額定電流以下連續(xù)運(yùn)行，180%額定電流運(yùn)行1 min保護(hù));

5)要求適應(yīng)惡劣的使用環(huán)境;

6)運(yùn)行速度曲線成S形，加減速平滑;

7)啟動(dòng)力矩、低頻力矩、加速力矩、制動(dòng)力矩有嚴(yán)格要求。

我公司依靠在低壓提升機(jī)變頻器和高壓變頻器開發(fā)中積累的經(jīng)驗(yàn)，不斷地進(jìn)行技術(shù)革新，成功地開發(fā)了單元串聯(lián)式高壓提升機(jī)專用變頻器，填補(bǔ)了國內(nèi)高壓變頻器在提升機(jī)應(yīng)用上的空白，產(chǎn)品已申請(qǐng)國家專利，產(chǎn)品國家專利號(hào)為ZL200320121533.2。

3 JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速器

根據(jù)與用戶的協(xié)議，我公司為該提升機(jī)絞車配備了JD-BP37-315T高壓提升變頻調(diào)速器。

3.1 JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速器簡介

該變頻調(diào)速器選用最新型IGBT為主控器件，采用全數(shù)字化，彩色液晶觸摸屏控制，是以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速器;采用先進(jìn)的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的四象限運(yùn)行，完成對(duì)鼠籠式電機(jī)或繞線式電機(jī)的控制，既可用于新建礦井，也可用于老礦井改造。

JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成，所用的6 kV 高壓提升變頻器，變壓器有18 組二次繞組，分為6 個(gè)功率單元/相，三相共18 個(gè)單元，采用36 脈沖整流，輸入端的諧波成分遠(yuǎn)低于國標(biāo)規(guī)定，高壓提升變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

用全數(shù)字化，彩色液晶觸摸屏控制，是以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)變頻調(diào)速器;采用先進(jìn)的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的四象限運(yùn)行，完成對(duì)鼠籠式電機(jī)或繞線式電機(jī)的控制，既可用于新建礦井，也可用于老礦井改造。

JD-BP37型高壓提升變頻調(diào)速系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成，所用的6 kV 高壓提升變頻器，變壓器有18 組二次繞組，分為6 個(gè)功率單元/相，三相共18 個(gè)單元，采用36 脈沖整流，輸入端的諧波成分遠(yuǎn)低于國標(biāo)規(guī)定，高壓提升變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 功率單元電路

每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其主電路如圖2示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為交—直—交雙向逆變電路。通過三相二極管整流橋整流，經(jīng)濾波后建立起母線電壓。當(dāng)能量由電網(wǎng)流向負(fù)載時(shí)，逆變塊A被封閉，逆變塊B 實(shí)現(xiàn)正弦PWM單相逆變。當(dāng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，逆變塊B中IGBT的體二極管又起全波整流作用，將再生能量轉(zhuǎn)移到濾波電容中，使母線電

壓升高，當(dāng)達(dá)到一定值后，啟動(dòng)逆變塊A，進(jìn)行SPWM逆變，通過輸入電感，返回到移相變壓器的二次側(cè)，將再生能量回饋到電網(wǎng)。由于提升機(jī)變頻器的應(yīng)用狀況比較惡劣，頻繁啟停而且能量回饋，使儲(chǔ)能電容承受很大的沖擊電流，此電容原為極性介質(zhì)電容，抗沖擊電流的能力差，影響了使用壽命，因此更換為無極性電力電容，這種電容的優(yōu)點(diǎn)就是抗沖擊電流大，溫升低，壽命長，只是成本高，但為了提高設(shè)備的可靠性，增加成本還是值得的。

3.3 輸入側(cè)結(jié)構(gòu)

輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)功率單元供電，每個(gè)功率單元承受電機(jī)電流、1/6 的相電壓、1/18 的輸出功率。18個(gè)單元在變壓器上都有自己獨(dú)立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實(shí)現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。

3.4 輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

輸出側(cè)每相由6個(gè)功率單元的U、V輸出端子串聯(lián)后再接成星型接法給電機(jī)供電，通過對(duì)每個(gè)單元的PWM 波形進(jìn)行重組，可得到如圖3所示的階梯PWM 波形。這種波形正弦度好，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造;同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承的機(jī)械內(nèi)應(yīng)力和電疲勞現(xiàn)象。

3.5 控制器

控制器核心由高速DSP和工控PC機(jī)協(xié)同運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。工控機(jī)提供友好的全中文Windows監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。