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四象限高压变频器

应用于矿井提升机的

低速直联同步电机专用变频器

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一、概述：

矿井提升机是矿山大型固定设备之一，是井下与地面的主要运输工具。矿井提升机主要担负一个矿井所有的矿物(煤，矿石)提升，升降人员，运输设备，下放材料等。

矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。

所以提升机调速控制系统的研究一直是一个备受关注的重大课题。电气控制方式在很大程度上决定了提升机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运行，避免严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。随着矿井提升系统自动化，改善提升性能，以及提高提升设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。对矿井提升机电气传动系统的要求是：有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。

典型的提升机速度变化曲线

启动：提升机开机提升；

升速：速度上升为设定速度；

匀速：以设定速度匀速提升，这段时间最长；

减速：快到达井口时减速，此时有较大的能量回馈

低速爬行：以低速爬行，以便在规定的位置停车；

停止：提升机停止在规定位置。

目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有：交流绕线式异步电动机转子切换电阻调速的交流电气传动系统，晶闸管整流器—直流电动机传动控制系统和异步电动机变频调速控制系统。

以上传动系统各有优势与不足，襄阳双龙威在基于国际潮流与技术进步的基础上，在国内率先推出低速直联交流同步电机专用变频调速装置，完美地继承以往电气传动系统的优点并弥补了它们的不足

本方案对现有的提升机电气传动方式进行了简介与对比，并详细介绍低速直联交流同步电机专用变频调速装置。

二、提升机调速方式比较

2.1 调速方式分类

提升机调速方式主要分为三大类：

（1）绕线式异步电机转子切换电阻调速；

（2）基于晶闸管整流的直流电机调速；

（3）交流异步电机与低速直联交流同步电机变频调速。

2.2 各种方式简介

2.2.1绕线式异步电机转子切换电阻调速

（1）系统结构：

绕线式异步电机转子切换电阻调速结构

系统由绕线式异步电机、电阻与短接开关组成。

（2）特点

主要优点是结构简单，应用普遍，系统成本低；

主要的缺陷是调速系统属于有级调速，速度不能平滑的控制；能量不能回馈电网，消耗在电阻上；电机的机械特性偏软；调速时对电网有冲击，谐波污染大；长期运行的实际运行成本高。

2.2.2基于晶闸管整流的直流电机调速

（1）系统结构

基于晶闸管整流的直流电机调速结构

系统由晶闸管整流器，直流电机及其励磁系统组成；

（2）特点

主要优点是直流电机调速精确；

主要的缺陷是晶闸管整流器对电网的谐波污染大，能量不能回馈电网；直流电机受结构的限制，容量有限制，只适合小型的提升机系统。

2.2.3变频调速

（1）系统结构

异步电机变频调速系统由变频器、异步电机和减速机组成。

低速直联交流同步电机变频调速系统由变频器、同步电机和励磁系统组成。

（2）特点

异步电机变频调速系统主要优点是直流电机调速比较精确，调速反应快，对电网冲击小，谐波污染小；

主要的缺陷是异步电机有转差，调速精度比直流电机与交流同步电机低；与提升机系统连接时需要减速机，有一定附加损耗。

低速直联交流同步电机变频调速系统主要优点调速精确，附加损耗小，对电网冲击小，谐波污染小；

主要的缺陷是需要单独的励磁系统。

2.3调速方式对比表

三、低速直联交流同步电机变频调速系统

3.1 系统结构

系统由变频器、励磁系统、监控系统、保护系统、冷却系统、配电系统等组成。

系统整体框图

蓝色虚线框内为襄阳双龙威供货范围

QF为电网原有的断路器；

变频器为四象限型式，用来拖动同步电动机，并可将提升机的制动能量反馈回电网；

励磁系统、监控系统、保护系统、冷却系统通过硬接线和通讯的方式与变频器相连。

3.2 关键技术

3.2.1闭环矢量控制

根据磁场定向原理分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，实现高精度控制，高可靠控制。

3.2.2超低速运行

电机转速为[0-1.2]r/min、变频器输出频率为[0-0.01]Hz 。

如以V/f控制不能到达的速度区间定，则宽至电机转速为[0-6]r/min、变频器

输出频率为[0-0.5]Hz，全速度范围调速。

3.2.3空中悬停

任意井深处，完全解除机械制动力，罐笼在空中静止不动。

3.2.4堵转

给定速度大于零，施加完全的机械制动力，电机随输出额定力矩，罐笼却静止，在解除机械制动力后，可以迅速升速到指定转速。

3.2.5恒减速制动

使减速和停车过程完全精确控制，避免对变频器和电网的冲击。

3.2.6低速直联同步机励磁的自动调节

保证电机无功容量最小，避免同步电动机失步。

3.3 技术参数

四、变频器结构与特点

4.1 整体结构

由变压器、功率单元、控制部分组成，主电路采用若干个低压功率单元串联叠加方式实现高压输出，网侧接入电压为6kV。

电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器移相降压后向功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交—直—交PWM 电源型逆变器结构。将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y 联结构，实现变压变频的高压直接输出，供给三相负载。各功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组间相互绝缘。

拓扑结构图

如上图所示，每相6个功率单元串联，每个功率单元的额定输入电压为550V，经电压泵升，单元的输出电压为640V，串联后的输出线电压为0－6.6kV，频率0－60Hz连续输出。

每相的调制：

根据输出要求设定调制波，同一相的各个单元的调制波相同，各个单元的载波依次相差一个相角，如下图所示，各相的调制波相差120°。如需改变输出，只需改变正弦调制波的周期以及幅值大小即可。

此技术优点是每个变频功率单元是完全成熟的技术，功率单元的串联个数决定变频电源的输出电压。

4.2 整流变压器

干式移相变压器导体采用耐热指数220℃的NOMEX纸绝缘的优质无氧铜电磁线，为了提高线圈的抗冲击能力，高压绕组为翻饼式线圈制成的饼式绕组绕制工艺，然后经过真空干燥和真空浸漆处理，最终形成一个具有全封闭漆层的绕组结构。这种绝缘漆不但具有高强度的抗短路性能，而且“三防”性能极佳。铁芯采用高导磁冷轧电工钢带，450全斜接缝，冲孔结构，整体性强，损耗低，铁芯表面经耐高温树脂粘结，并经防潮防腐处理，噪音较低。

变压器副边绕组实现相互隔离，变压器的原边接入高压母线，副边移相后向功率单元提供工作所需三相交流电源，副边绕组的相互独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，具有极高的可靠性和安全性。副边绕组采用延边三角形联结，形成多脉波的整流电路结构。网侧输入电流波形接近正弦波，大大改善网侧波形，在负载情况下，网侧功率因数高达0.95以上。

干式移相整流变压器

4.3 功率单元

四象限功率单元

四象限功率单元为交直交变换结构，三相可控整流、单相逆变，结构如下图所示，能量实现双向流通。

四象限功率单元结构

4.4 全数字控制系统

控制系统是由襄阳双龙威自主研发的全数字信号控制装置，内置总线板、CPU板、PWM板、数字板、模拟板、通讯板以及显示板。通过编程器将符合用户现场工况的控制程序下载至控制系统后，控制系统生成多电平的PWM控制波形、实现快速保护及网络通讯等控制功能。总线板主要功能为整个控制机的电源供给、各板数据传输及内、外部数据交换。CPU板、数字板、模拟板主要用于用户现场各种信号的处理,变频电源系统运行和故障的连锁。PWM板主要用于控制机与各功率单元板间的光纤通讯连接。通讯板主要用于襄阳双龙威多电平变频电源与外界的通讯连接，可以和用户现场灵活接口，满足用户的特殊要求。显示板上的显示屏提供友好的监控和操作界面，实时显示变频电源系统各组成部分的工作状态，使用户能够直观而准确的了解系统的工作情况。襄阳双龙威多电平变频电源可以实现远程监控和网络化控制。