原副井提升機(jī)系統(tǒng)采用交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，JD-BP37-280T型（280KW/6KV）高壓提升機(jī)變頻器，對(duì)副井提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)改造。交流電動(dòng)機(jī)，是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種機(jī)器。交流電動(dòng)機(jī)主要由一個(gè)用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子組成。電動(dòng)機(jī)利用通電線圈在磁場(chǎng)中受力轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象而制成的。交流電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，并且定子和轉(zhuǎn)子是采用同一電源，所以定子和轉(zhuǎn)子中電流的方向變化總是同步的，即線圈中的電流方向變了，同時(shí)電磁鐵中的電流方向也變，根據(jù)左手定則，線圈所受磁力方向不變，線圈能繼續(xù)轉(zhuǎn)下去。交流發(fā)動(dòng)機(jī)就是利用這個(gè)原理而工作的。

 

 

 

1.1.1 礦用提升機(jī)

 

 

1.1.2 減速器

 

 

1.1.3 三相異步電動(dòng)機(jī)

 

 

 

在加速過(guò)程中，交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4逐級(jí)吸合，轉(zhuǎn)子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。如果要求電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行，則需在轉(zhuǎn)子回路串較大電阻。為了解決減速段的負(fù)力要求，通常采用動(dòng)力制動(dòng)方案，即將定子側(cè)的高壓電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施加低頻電源，讓電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電伏態(tài)。交流接觸器是廣泛用作電力的開(kāi)斷和控制電路。它利用主接點(diǎn)來(lái)開(kāi)閉電路，用輔助接點(diǎn)來(lái)執(zhí)行控制指令。主接點(diǎn)一般只有常開(kāi)接點(diǎn)，而輔助接點(diǎn)常有兩對(duì)具有常開(kāi)和常閉功能的接點(diǎn)，小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。交流接觸器的接點(diǎn)，由銀鎢合金制成，具有良好的導(dǎo)電性和耐高溫?zé)g性。當(dāng)線圈通電時(shí)，靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力，將動(dòng)鐵芯吸合，由于觸頭系統(tǒng)是與動(dòng)鐵芯聯(lián)動(dòng)的，因此動(dòng)鐵芯帶動(dòng)三條動(dòng)觸片同時(shí)運(yùn)行，觸點(diǎn)閉合，從而接通電源。當(dāng)線圈斷電時(shí)，吸力消失，動(dòng)鐵芯聯(lián)動(dòng)部分依靠彈簧的反作用力而分離，使主觸頭斷開(kāi)，切斷電源。

 

這種拖動(dòng)方案存在的問(wèn)題是：

 

（1）開(kāi)環(huán)有級(jí)調(diào)速，加速度難以準(zhǔn)確控制，調(diào)速精度差；

 

（2）觸點(diǎn)控制，大量使用大容量開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)維護(hù)工作量大，可靠性差；

 

（3）運(yùn)行效率低，在低速時(shí)大部分功率都消耗在電阻上；

 

（4）電機(jī)的機(jī)械特性偏軟，一般電阻上消耗的功率約為電動(dòng)機(jī)輸出功率的20%—30%；

 

（5）接觸器經(jīng)常吸合與斷開(kāi)，噪音比較大。雖然這種調(diào)速方案控制方式簡(jiǎn)單、初期設(shè)備投資較低，但技術(shù)性能和運(yùn)行效率低，許多中小礦井的提升機(jī)仍采用該種調(diào)速方案。

 

圖1：轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)
 

 

 

JD-BP37系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6KV系列有18個(gè)功率單元，每6個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。

 

 

圖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，其主電路結(jié)構(gòu)有圖2所示，為基本的交-直-交雙向逆變電路。圖中通過(guò)整流橋進(jìn)行三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓，通過(guò)對(duì)逆變塊B中的IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制實(shí)現(xiàn)單相逆變。當(dāng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，逆變塊B中的二極管完成續(xù)流外，又起全波整流，使能量能夠轉(zhuǎn)移到濾波電容中，結(jié)果母線電壓升高，達(dá)到一定程度后，啟動(dòng)逆變塊A，進(jìn)行SPWM逆變，通過(guò)輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過(guò)變壓器將能量回饋到電網(wǎng)。SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

 

 

本機(jī)中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成36脈沖整流方式；這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分低。實(shí)測(cè)在90%-105%額定輸入電壓額定電流下，輸入電流總相對(duì)諧波含量小于4%.

 

另外，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。

 

 

輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過(guò)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，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，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)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。

 

圖3：變頻器輸出的線電壓階梯PWM波形
 

 

控制器是按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)和反向的主令裝置?？刂破魇钦麄€(gè)CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR（InstructionRegister）、程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）和操作控制器0C（OperationController）三個(gè)部件組成，對(duì)協(xié)調(diào)整個(gè)電腦有序工作極為重要。

 

控制器核心由高速32位數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）運(yùn)算來(lái)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。人機(jī)界面提供友好的全中文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。內(nèi)置PLC控制器用于柜體內(nèi)開(kāi)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)，可以和用戶現(xiàn)場(chǎng)靈活接口，滿足用戶的特殊需要，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

 

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）相對(duì)于模擬信號(hào)處理有很大的優(yōu)越性，表現(xiàn)在精度高、靈活性大、可靠性好、易于集成、易于存儲(chǔ)等方面。傳數(shù)字信號(hào)處理是一門(mén)涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過(guò)使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來(lái)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。高性能DSP不僅處理速度快，而且可以無(wú)間斷的完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸入與輸出。DSP結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，普遍采用匯編編程，其處理完成時(shí)間的可預(yù)測(cè)性要比結(jié)構(gòu)和指令復(fù)雜、依賴于編譯系統(tǒng)的普通微處理器強(qiáng)的多。

 

另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個(gè)功率單元的控制電源采用一個(gè)獨(dú)立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

 

 

控制器有一套獨(dú)立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設(shè)備各點(diǎn)的波形與加高壓情況基本相似，給整機(jī)可靠性、調(diào)試、培訓(xùn)帶來(lái)了很大方便。

 

系統(tǒng)采用三次諧波補(bǔ)償技術(shù)提高了電源電壓利用率，利用了調(diào)制信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)，使電壓利用率近似于1.系統(tǒng)還采用了先進(jìn)的載波移相技術(shù)，它的特點(diǎn)是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯(lián)后的總輸出波形失真特別小。多個(gè)單元迭加后的理論輸出波形如圖4所示（圖中是六單元疊加）。

 

圖4：6個(gè)單元輸出疊加后的波形

2.7 基本控制功能及特點(diǎn)

 

2.7.1 直流制動(dòng)

 

本提升機(jī)用變頻器，直流制動(dòng)對(duì)提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到重要作用，當(dāng)重車在中間停車時(shí)，PLC檢測(cè)到停機(jī)信號(hào)后給控制器發(fā)出信號(hào)，讓提升機(jī)由高速平滑地降到低速，然后由控制器發(fā)出直流制動(dòng)信號(hào)，使提升機(jī)停止，待PLC檢測(cè)到機(jī)械制動(dòng)起作用的信號(hào)后，PLC發(fā)出信號(hào)讓控制器去掉直流制動(dòng)信號(hào)，使提升機(jī)靠機(jī)械抱閘一類的裝置起作用。啟動(dòng)時(shí)，先對(duì)提升機(jī)施加一直流制動(dòng)信號(hào)，PLC檢測(cè)到機(jī)械抱閘信號(hào)后發(fā)出信號(hào)給控制器去掉直流制動(dòng)信號(hào)，然后由控制器加上啟動(dòng)電壓讓提升機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。

 

2.7.2 運(yùn)行速度的控制

 

為了減少運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械沖擊，在提升機(jī)啟動(dòng)和停止過(guò)程中，做到加速度連續(xù)，因不同的頻率，對(duì)應(yīng)不同的加減速速率，在本裝置的控制中，將不同頻率時(shí)的加減速速率規(guī)劃成一個(gè)表格，運(yùn)行中用查表的方法確定對(duì)應(yīng)頻率時(shí)的加減速速率，使提升機(jī)平滑運(yùn)行，減少機(jī)械沖擊。

 

2.7.3 自動(dòng)限速保護(hù)

 

在運(yùn)行到終點(diǎn)時(shí)，由限速開(kāi)關(guān)給出減速信號(hào)，PLC檢測(cè)到減速信號(hào)后發(fā)送給控制器，由控制器啟動(dòng)自動(dòng)減速程序，使工作頻率按設(shè)定要求逐步變?yōu)榈退龠\(yùn)行。提升機(jī)帶有測(cè)速發(fā)電機(jī)，當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)給出超速信號(hào)，PLC檢測(cè)該信號(hào)發(fā)送給控制器，進(jìn)入自動(dòng)減速運(yùn)行。PLC主要是指數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)的可編程邏輯控制器，用于控制機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程。也是公共有限公司、電源線車等的名稱縮寫(xiě)?？删幊踢壿嬁刂破鳎环N數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。是工業(yè)控制的核心部分。

 

3.7.4 再生能量處理

 

圖5：再生能量處理示意圖

 

再生能量通過(guò)功率單元來(lái)處理，見(jiàn)圖5所示。電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，功率單元母線電壓Vbus升高，當(dāng)母線電壓超過(guò)電網(wǎng)電壓的1.1倍時(shí)，CPU根據(jù)比較器和相位檢測(cè)的結(jié)果輸出六路SPWM波形，使逆變塊A中的IGBT工作，通過(guò)輸入電感，電動(dòng)機(jī)的再生能量最后通過(guò)移相變壓器回饋到電網(wǎng)，裝置充分利用了移相變壓器對(duì)諧波的抵消作用，具有對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧波污染、功率因數(shù)高、控制簡(jiǎn)單、損耗小，返回到電網(wǎng)諧波小于5%.比較器是對(duì)兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行比較，以確定它們是否相等，或確定它們之間的大小關(guān)系及排列順序稱為比較。能夠?qū)崿F(xiàn)這種比較功能的電路或裝置稱為比較器。比較器是將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較的電路。比較器的兩路輸入為模擬信號(hào)，輸出則為二進(jìn)制信號(hào)，當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小時(shí)，其輸出保持恒定。

 

 

 

由于副井絞車提升負(fù)載情況比較復(fù)雜，因此，在調(diào)速階段進(jìn)行了多種試驗(yàn)，以檢驗(yàn)變頻器的性能。

 

3.1.1爬行速度試驗(yàn)

 

全程速度為0.25m/s，運(yùn)行平穩(wěn)。

 

3.1.2提升常規(guī)物料試驗(yàn)

 

全速提升或下放，起車加速階段、等速、減速、爬行各階段運(yùn)行良好。

 

3.1.3提升人員運(yùn)行試驗(yàn)全速提升或下放

 

在起車加速、勻速、減速、爬行等各階段運(yùn)行良好。人員在罐籠內(nèi)乘坐時(shí)，加、減速階段重力增加和失重的感覺(jué)幾乎沒(méi)有，速度控制的各個(gè)階段運(yùn)行感覺(jué)較為平穩(wěn)。

3.1.4重載試驗(yàn)

 

（1）上提：試驗(yàn)低速爬行的拖動(dòng)能力。負(fù)載在井口時(shí)上提爬行速度約為0.15m/s；下放到井底后再次上提（重物在井底又增加了168×2米鋼絲繩約1噸重），采用合適的低頻補(bǔ)償量后正常起動(dòng)，爬行速度約為0.15m/s.重物上提全程運(yùn)行時(shí)間由通常負(fù)載的54s增加65s，原因是低速爬行速度在重載條件下，爬行速度有所下降（由0.25m/s降為0.15m/s），造成了運(yùn)行時(shí)間比常規(guī)提升重量狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)間有所增加。重物上提速度為5.77m/s（頻率為50.3Hz）；下放速度為5.88m/s（頻率為49.92Hz）。

 

（2）下放：低速爬行、加速、勻速、減速整個(gè)過(guò)程很正常，符合要求。重載提升（下放）試驗(yàn)證明，變頻拖動(dòng)系統(tǒng)提升力矩可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)提升力矩要求。

 

 

（1）電流為雙向流動(dòng)。

 

（2）抗擾性能強(qiáng)。在提升機(jī)的加、減速階段，直流電源電壓的最大動(dòng)態(tài)降落或電壓超調(diào)不超過(guò)10%，擾動(dòng)恢復(fù)時(shí)間不超過(guò)1秒。

 

（3）靜態(tài)功率因數(shù)穩(wěn)定，小于5%.

 

（4）交流側(cè)諧波電流小，符合IEEE519規(guī)定，小于4%.

 

（5）變頻器在啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)電流小于1.3倍額定電流。