1  引言    煤礦提升絞車通常采用繞線式電動(dòng)機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)，用于提升或下降重物，具有典型的位能負(fù)載特性，是煤礦的通用設(shè)備。    （1） 由于啟動(dòng)及調(diào)速等方面的需要，通常都是在線繞式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串接電阻，來(lái)改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而降低電機(jī)啟動(dòng)電流，以實(shí)現(xiàn)小范圍的轉(zhuǎn)差變速，去適應(yīng)負(fù)載的突變持性。并實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的分級(jí)調(diào)整。這種控制方式帶來(lái)如下弊端:轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費(fèi);    （2） 電阻分級(jí)切換，實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，引起電氣及機(jī)械沖擊。低速轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)差功率大，啟動(dòng)電流和換檔電流沖擊大，中高速運(yùn)行振動(dòng)大，制動(dòng)不安全不可靠，對(duì)再生能量處理不力，斜井提升機(jī)運(yùn)行中調(diào)速不連續(xù)，容易掉道，故障率高。礦用生產(chǎn)是24h連續(xù)作業(yè)，即使短時(shí)間的停機(jī)維修也會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)很大損失;    （3） 再生發(fā)電時(shí)，機(jī)械能回饋電網(wǎng)，造成電網(wǎng)功率因數(shù)低。尤其在供電饋線較長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合，會(huì)加大變壓器、供電線路等方面的投資;    （4） 接觸器頻繁投切，電弧燒傷觸點(diǎn)，影響接觸器的使用壽命，設(shè)備維修成本較高;    （5） 繞線電動(dòng)機(jī)滑環(huán)存在的接觸不良問(wèn)題，容易引起設(shè)備的事故。

隨著交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器的應(yīng)用和普及，人們已開(kāi)始淘汰繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速這一落后的調(diào)速方式，采用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)取而代之，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)械的平滑調(diào)速和節(jié)能運(yùn)行，并將電網(wǎng)側(cè)功率因素提高到0.95以上，同時(shí)省去了調(diào)速接觸器、正反轉(zhuǎn)接觸器等元件，完全解決了傳統(tǒng)提升機(jī)械存在的固有缺陷，使設(shè)備性能得到極大提高。

2  位能負(fù)載的調(diào)速特性    提升機(jī)械用于提升或下降位能負(fù)載，無(wú)論是過(guò)平衡或欠平衡配置，必然存在電動(dòng)和再生發(fā)電兩個(gè)工作區(qū)，其調(diào)速特性如圖1和圖2所示。

圖1     轉(zhuǎn)子回路串電阻的調(diào)速特性

圖2    交流變頻調(diào)速特性

如圖1所示，繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接電阻調(diào)速時(shí)，通過(guò)電阻的分級(jí)切換和正反轉(zhuǎn)接觸器切換，實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制。其中，工作點(diǎn)1和工作點(diǎn)2為電動(dòng)狀態(tài)，工作點(diǎn)3為能耗制動(dòng)狀態(tài)，工作點(diǎn)4為再生發(fā)電機(jī)狀態(tài)。

變頻調(diào)速特性為一組平行的曲線，由于變頻器的頻率連續(xù)可調(diào)，因而能夠?qū)崿F(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速。圖2中1區(qū)為電動(dòng)區(qū)，2區(qū)為再生發(fā)電區(qū)，電能回饋至變頻器的直流側(cè)，通過(guò)制動(dòng)組件泄放。

3   礦用提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理    礦用提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖3所示，該設(shè)備為交－直－交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)。

圖3      礦用提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程主要分為兩個(gè)過(guò)程。    （1） 絞車電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的過(guò)程，即正常的逆變過(guò)程。該過(guò)程主要由整流、濾波和正常逆變?nèi)蟛糠纸M成。其中正常逆變過(guò)程是其核心部分，它改變電機(jī)定子的供電頻率，從而改變輸出電壓，起到調(diào)速作用;    （2） 絞車電機(jī)作為發(fā)電機(jī)的過(guò)程，即能量回饋過(guò)程。該過(guò)程主要由整流、回饋逆變和輸出濾波三部分組成。其中該部分的整流是由正常逆變部分中 IGBT的續(xù)流二極管完成。電解電容的主要作用是為回饋逆變部分提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓源，保證逆變部分運(yùn)行更可靠。回饋逆變部分是整個(gè)回饋過(guò)程的核心部分，變頻器對(duì)輸入電源的相位、電網(wǎng)電壓波動(dòng)幅值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)回饋逆變輸出電壓相位與電網(wǎng)電壓相位的一致。為保證逆變的正常工作以及減少對(duì)電網(wǎng)的污染，設(shè)有EMC輸出濾波部分，使回饋的能量保持平滑性，避免回饋能量對(duì)電網(wǎng)的騷擾作用。

采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)、軟停車，減少了機(jī)械沖擊，使運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠。起動(dòng)及加速換擋時(shí)沖擊電流很小，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，簡(jiǎn)化了操作、降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。運(yùn)行速度曲線成S形，低速力矩可達(dá)200%，使加減速平滑、無(wú)撞擊感。安全保護(hù)功能齊全，除一般的過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、短路、溫升等保護(hù)外，還設(shè)有連鎖保護(hù)、自動(dòng)限速保護(hù)功能等。設(shè)有直流制動(dòng)、能耗制動(dòng)、及回饋制動(dòng)等多種選擇制動(dòng)方式，更安全、更可靠。該系統(tǒng)四象限運(yùn)行，回饋能量直接回電網(wǎng)，且不受回饋能量大小的限制，回饋的能量通過(guò)EMC濾波器，有效控制了回饋時(shí)的諧波含量。

4  提升機(jī)變頻調(diào)速改造 4.1 工頻/變頻切換系統(tǒng)的改造    為確保安全可靠，保留原調(diào)速系統(tǒng)，隨時(shí)工/變頻的可切換，同時(shí)為了讓操作者不改變操作習(xí)慣，工/變頻系統(tǒng)都用原操作機(jī)構(gòu)（可自動(dòng)或手動(dòng)切換選擇切換方式）操作。

4.2 變頻器的容量選擇    電動(dòng)機(jī)的額定值選定后，應(yīng)選擇相應(yīng)的變頻器容量。為了充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，提高起重設(shè)備的安全性能，采用佳靈牌專用提升變頻器進(jìn)行控制。該變頻器使電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有2倍的過(guò)載能力（200%,1min）。由于普通變頻器的過(guò)載能力一般為150%,1min，瞬態(tài)過(guò)載力矩只能達(dá)到 150%～180%，因此必須提高所適配的變頻器容量，以便提高變頻器與電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的低速力矩和瞬時(shí)200～300%的力矩。

由上述可知，只要把變頻器的容量提高20%左右，即可使變頻器/電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的瞬時(shí)過(guò)載能力提高到2.0～2.4倍，過(guò)載保護(hù)仍按電機(jī)容量設(shè)定就能滿足要求。因此應(yīng)選擇變頻器額定容量為電動(dòng)機(jī)額定容量的120%以上，即把變頻器的容量提高一個(gè)等級(jí)。本系統(tǒng)使用155kW的電動(dòng)機(jī)，配置佳靈牌 JP6C-200kW變頻器，采用提升特性專用控制軟件，具有良好的性價(jià)比。

4.3 制動(dòng)組件的選用    如圖4所示，再生發(fā)電時(shí)機(jī)械能被轉(zhuǎn)換成電能，回饋到變頻器直流側(cè)的電容器上，其結(jié)果使直流回路的電壓升高，當(dāng)電壓升高到某一設(shè)定值（如 750V），制動(dòng)單元自動(dòng)控制放電用開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，電能向制動(dòng)電阻上泄放。制動(dòng)單元?jiǎng)幼骱?，泄放的能量大于回饋能量，直流回路的電壓開(kāi)始下降，當(dāng)它下降到某一設(shè)定值（如630V），則制動(dòng)單元自動(dòng)控制放電用開(kāi)關(guān)管關(guān)閉，停止放電。這一充電與放電過(guò)程由變頻器和制動(dòng)組件自動(dòng)完成，維持直流回路電壓在一個(gè)安全的范圍之內(nèi)。

圖4    變頻系統(tǒng)示意圖

由上述可知，選擇制動(dòng)組件的基本原則是:制動(dòng)組件的最大瞬時(shí)放電能力大于或等于最大瞬時(shí)回饋能量。制動(dòng)組件的平均放電能量大于平均回饋能量。

通常，制動(dòng)組件的最大瞬時(shí)放電能力由其放電開(kāi)關(guān)管的額定電流所決定，而平均放電能力則取決于制動(dòng)電阻的額定功率大小。煤礦提升機(jī)的變頻調(diào)速改造選用佳靈牌制動(dòng)單元，按變頻器容量由廠家匹配，系統(tǒng)的一致性強(qiáng)維修也方便。

4.4 調(diào)速控制方法    采用變頻調(diào)速控制的提升機(jī)械仍可使用傳統(tǒng)的速度控制方法，如礦井提升的速度控制，仍可使用傳統(tǒng)的凸輪控制器，不同的檔位給出了上升或下降方向指令和多級(jí)速度指令，輸入到變頻器的控制端，實(shí)現(xiàn)方向控制和調(diào)速。現(xiàn)在已經(jīng)有提升變頻專用控制器推出，應(yīng)用它可以簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少故障點(diǎn)。變頻調(diào)速器還可提供更為先進(jìn)的閉環(huán)控制方法，如配合工藝實(shí)現(xiàn)提升和下降的不同速度運(yùn)行等。

5  結(jié)束語(yǔ)    鑒于煤礦的生產(chǎn)分地面和井下防爆環(huán)境，其工業(yè)化、連續(xù)性要求特別高。提升機(jī)（絞車）用的佳靈牌回饋型變頻器已在山西黃聯(lián)煤礦成功運(yùn)行，提升機(jī)（絞車）用的能耗型變頻器亦在四川芙蓉煤礦成功運(yùn)行，并有多臺(tái)在井下防爆型變頻器用于絞車、提升機(jī)。佳靈牌提升機(jī)專用變頻器對(duì)礦用絞車和提升機(jī)、大坡度皮帶機(jī)的安全運(yùn)行及節(jié)能改造確實(shí)起到了決定的作用，應(yīng)用效果較好。

位能負(fù)載條件下的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須以實(shí)際負(fù)載情況為依據(jù)，才能達(dá)到節(jié)省投資的目的。如何使電動(dòng)機(jī)、變頻器、制動(dòng)組件的合理匹配是系統(tǒng)要良好運(yùn)行的關(guān)鍵。礦用絞車?yán)@線電機(jī)改用變頻調(diào)速方式后，系統(tǒng)具有一定的節(jié)電效果，更重要的是具有柔性化控制，使系統(tǒng)的性能大大提高和機(jī)械部份壽命延長(zhǎng)，使用變頻調(diào)速也有良好的節(jié)能效果。