单沟提升机变频调速系统的原理与工作过程分析

1. 引言

在矿山企业的生产中，矿井提升机担负着提煤、运料的繁重任务，在整个生产中占据着比较重要的位置。我们山东新风光电子科技发展有限公司应煤矿的要求，在研制提升机变频器方面作了相当大的努力。通过不断的进行技术革新，成功地开发了矿山提升机专用变频器。

矿山提升机专用变频器，是我公司根据煤矿机电设备的改造要求，结合提升机的运行特点，在普通变频器基础上研制生产的一种新型专用产品。该类变频器最显著的特点是要求四象限运行，能够正确合理地处理重物下放及急停情况下地能量回馈问题，这也是该类变频器地重点及难点。公司的技术人员根据这一特点，采用回馈制动、能耗制动或超级电容吸收技术，成功地解决了这一难题，是国产变频器中目前能将再生发电能量回送电网的唯一厂家。该产品自投放市场以后，在无级平滑调速、运行平稳可靠及节能方面都取得了良好的经济效益与社会效益，深受广大用户的青眯与好评。

单沟提升机变频器是在双沟提升机变频器的基础上，开发的另一提升机系列产品之一。单沟提升机的一个最显著的特点就是回馈能量大，在下放过程中只要离开井口，矿车即拖着电动机靠重力下放，从而超过同步转速而发电，因而整个下放过程都是处于发电状态，其能量的回馈是相当大的，这也是做好单沟提升机变频器的难点所在，如何处理好这部分能量，以保证变频器可靠的工作，是该类变频器的关键。

我公司利用自己在双沟变频器中积累的经验，采用独立的回馈单元，用同步信号 PWM 控制的方式，较好的实现了发电的能量回送电网的目的，使变频器运行平稳，安全可靠，并已有数十台在现场获得了应用。从应用效果看，变频器运行稳定，节能显著，从而为做好提升机变频器提供了实践经验。

2 。 单沟提升机应用变频调速技术的优点

单沟提升机应用变频调速技术，较原控制系统优越性体现在以下几个方面：

（ 1）实现了软启动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠。

（ 2）调速连续方便，可分段予置，连续调节。

（ 3）起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作、降低了工人的劳动强度。

（ 4）运行速度曲线成S形，使加减速平滑、无撞击感。

（ 5）安全保护功能齐全，除一般的过压、欠压、过载、短路、温升等保护外，还设有连锁保护、自动限速保护功能等。

（ 6）甩掉了原系统加速用的转子串电阻、交流接触器及时间继电器等，提高了系统的可靠性，操作人员的工作环境也大为改善。

（ 7）设有直流制动、能耗制动、及回馈制动等多种制动方式，使安全性更加可靠。

（ 8）该系统四象限运行，回馈能量直接回送电网，且不受回馈能量大小的限制，适应范围广，节能效果更加明显。

3.单沟提升机变频调速系统的工作原理

我们针对单沟提升机的运行工作特点，按照严格的工业标准设计，制造单沟提升机变频器，把制动电路、回馈电路、滤波器、线路电抗器和 PLC等集成到变频器中，增强了整机的可靠性。

单沟提升机变频器 为交－直－交电压型变频调速系统，原理图如下图所示。

图　单沟提升机变频调速系统原理图

该系统的运行过程主要分为两个过程：

（ 1） 绞车电机作为电动机的过程，即正常的逆变过程。该过程主要由整流、滤波和正常逆变三大部分组成，如上图1所示。其中正常逆变过程是其核心部分，它改变电机定子的供电频率，从而改变输出电压，起到调速作用。

（ 2） 绞车电机作为发电机的过程，即能量回馈过程。该过程主要由整流、回馈逆变和输出滤波三部分组成，如上图1所示。其中该部分的整流是由正常逆变部分中IGBT的续流二极管完成。二极管D1和D2为隔离二极管，其主要作用是隔离正常逆变部分和回馈逆变部分。电解电容E2的主要作用是为回馈逆变部分提供一个稳定的电压源，保证逆变部分运行更可靠。回馈逆变部分是整个回馈过程的核心部分，该部分实现回馈逆变输出电压相位与电网电压相位的一致。因为回馈逆变输出的是调制波，为保证逆变的正常工作以及减少对电网的污染，我们加了一个输出滤波部分，使该系统的可靠性更加稳定。

4．单沟提升机变频器的特点

与双沟提升机相比，单沟提升机具有回馈能量大的特点，我们采用独立的回馈单元，按重车满负荷下放的最大限度来选取制动模块和回馈模块。

当电机发电母线电压升高时，启动回馈单元向电网回馈或启动刹车单元，将能量泄放掉。由于单沟回馈能量大，为保证器件的安全，可同时启动回馈单元或刹车单元。

这里要注意几点：

（ 1）刹车界限要调整适当，该电路应主要以回馈为主，若刹车过早，刹车电阻会长期工作，造成不必要的能耗浪费，刹车电阻也会因长期过热而损坏，一旦损坏，则后果严重，将造成整个变频器工作的不安全。

（ 2）由于回馈输出的是经过调制的PWM波形，为了与电网尽量一致，其相位控制相当重要，要保证输出的波形与电网严格同步。另外，必要的LC滤波也是十分重要的，不然，将对电网造成污染，回馈量越大，其滤波系数也越大。

（ 3）在回馈控制板上有一个显示接口，从此端接入一个显示板，可监测基准电压和母线电压，对安装调试比较方便。

5．单沟提升机变频器的基本控制要求

（ 1 ）运行速度的控制

为了减少运行过程中的机械冲击，在提升机启动和停止过程中，做到加速度连续，因不同的频率，对应不同的加减速速率，在本装置的控制中，将不同频率时的加减速速率规划成一个表格，运行中用查表的方法确定对应频率时的加减速速率，使提升机平滑运行，减少机械冲击。

（ 2 ）自动限速保护

在运行到终点时，由限速开关给出减速信号， PLC 检测到减速信号后发送给控制器，由控制器启动自动减速程序，使工作频率按设定要求逐步变为低速运行。提升机带有测速发电机，当测速发电机给出超速信号， PLC 检测该信号发送给控制器，进入自动减速运行。

（ 3〕直流制动

主令控制器给出“正转”或“反转”命令后，如果没有给出“松闸”信号，变频器会在电机上施加直流制动转矩，确保松开制动闸过程中重车不下滑。在给 出“松闸”信号后，变频器开始运行。

制动油泵启动后，若不小心松开制动闸触动“松闸”行程开关，变频器接收到“松闸”信号，同时在电机上施加直流制动转矩，确保重车不下滑。

当重车在井筒中间停车时，变频器由高速至停机后，随之施加直流制动转矩使电机停止转动，当机械制动起作用后，方去掉直流制动，使重车靠机械抱闸的作用停止。

6 。 现场应用

我们在新疆玛纳斯永安煤业有限公司及内蒙古鄂可托旗乌仁都西煤焦有限公司分别安装了一台 75KW 和 160KW 的单沟提升机变频器。 75KW 的是新井安装， 160KW 的是老井改造，从现场应用看：

（ 1） 75KW 变频器回馈时可达到 40A 左右的电流， 160KW 变频器回馈时可达到 80A 左右。变频器采用回馈方式，即母线电压比基准电压高出多少即回馈多少。当高于 700V 左右时启动刹车单元，让多余的能量在通过能耗电阻消耗掉，从而保证了主器件的安全。经过检测母线电压，看不到有较大的电压波动。

（ 2 ）回馈波形较好。采用适当的 LC 滤波后，用示波器检测输入端的波形，比较接近于正弦波，对电网基本造成不了污染，滤波效果较好。

（ 3 ）节能效果显著。与工频比较，就 160KW 提升机而言，原无功电流与有功电流之和大约在 180A 左右。而变频运行时，基本上测不出无功电流，只有有功电流 80A 左右，单单从电流看即减少了 100A 左右，综合节电率可达 30% 左右。

（ 4 ）减少了投资费用。 75KW 提升机由于是新井，直接选用普通的鼠笼式电机，采用变频即可以平滑的进行调速，而不用绕线式电机即可。鼠笼式电机比绕线式电机价格便宜 1/3 左右。因此降低了用户的投资费用，维护起来也比较方便。

（ 5 ）采用变频调速后，甩掉了原工频用的速度段切换交流接触器及调速电阻，使工人的操作环境大为改善，调速平滑，减轻了对电网及换挡的冲击，电流变化平稳，这是原工频状态所无法比拟的。

7 。 结束语

矿用提升机采用变频改造，尤其是单沟提升机的成功实践，为变频器在起重设备上的应用提供了典范。据国内资料显示，在国产变频器中，真正使用回馈制动的寥寥无几。就是变频器在提升机上的应用也相当少，因此大面积的推广提升机变频器，对变频器的生产来说无疑将会是一个巨大的市场。