王錦鵬 趙鯤

摘 要：結(jié)合立井提升機(jī)拖動(dòng)要求，本文設(shè)計(jì)了一種低速同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)礦山大功率電機(jī)調(diào)速控制。

關(guān)鍵詞：提升機(jī)；變頻拖動(dòng)；雙三電平；數(shù)字調(diào)節(jié)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.162

1 簡(jiǎn)介

立井提升機(jī)是礦山企業(yè)的咽喉設(shè)備，現(xiàn)代大容量立井提升機(jī)多采用低速大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)直聯(lián)拖動(dòng)方式，存在功率因數(shù)低，傳動(dòng)效率低、諧波含量高易對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染等缺陷，現(xiàn)逐步被交流拖動(dòng)所取代。本項(xiàng)目的主要是通過(guò)中礦傳動(dòng)研究成果，將低速同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化并推廣應(yīng)用，達(dá)到降低投資，提高設(shè)備安全可靠性和提高運(yùn)行效率之目的。

2 詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容

中礦傳動(dòng)生產(chǎn)的ASCS-8大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)交流同步變頻電機(jī)的控制，采用變頻器為雙三電平，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字DSP調(diào)節(jié)，完成PLC網(wǎng)絡(luò)控制，并利用局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息連接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)診斷與監(jiān)控。配合其他礦用設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)礦山大功率電機(jī)調(diào)速控制。

從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)看，其主功率回路如圖所示，采用了可控的前端脈寬調(diào)制（PWM）整流器，能對(duì)相控整流和不控整流缺點(diǎn)進(jìn)行消除，能實(shí)現(xiàn)AC/DC變換性能控制，并完成網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)和正弦電流控制，促使能量雙向流動(dòng)。將功率調(diào)至單位功率因數(shù)，系統(tǒng)諧波含量可以得到有效減少，減少網(wǎng)絡(luò)中的電流紋波和電壓畸變，減少了無(wú)功及諧波帶來(lái)的附加損耗，運(yùn)行效率得以提高，實(shí)現(xiàn)了“綠色”電能的變換。FLUKE435電能質(zhì)量分析儀測(cè)量的功率、電能以及網(wǎng)側(cè)電流諧波含量，實(shí)際達(dá)到1.48MW，功率因數(shù)0.98，諧波含量不超4.2%，符合相關(guān)規(guī)定。同時(shí)PWM整流器的直流母線電壓可控，可實(shí)現(xiàn)前端整流器和后級(jí)逆變器解耦控制，同時(shí)后端的穩(wěn)定性也得以提高，能在四象限運(yùn)行的電氣傳動(dòng)場(chǎng)合得到較好應(yīng)用。

全數(shù)字變頻矢量控制器采用32位數(shù)字信號(hào)處理器，可進(jìn)行速度和電流的閉環(huán)控制，并進(jìn)行單位功率因數(shù)、變頻矢量控制。

采用高性能矢量控制算法，實(shí)現(xiàn)高性能調(diào)速，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)諧波等系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)調(diào)控，降低開(kāi)關(guān)頻率、進(jìn)線電抗，減少電網(wǎng)污染，實(shí)現(xiàn)“綠色變頻”。

根據(jù)位置給定值，可確定速度給定值。結(jié)合軸編碼器反饋得到的實(shí)際位置，可對(duì)速度給定值進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使提升機(jī)完設(shè)計(jì)曲線運(yùn)行。結(jié)合反饋得到的位置值，可確定停車時(shí)間。系統(tǒng)采用全數(shù)字控制方式，可添加加速度導(dǎo)數(shù)實(shí)現(xiàn)速度拐角絕對(duì)的平滑變化（速度給定曲線為S型），減少設(shè)備沖擊和磨損，實(shí)現(xiàn)速度的精確檢測(cè)和閉環(huán)控制。而速度為0，施工作閘停車，不再靠磨閘瓦停車。系統(tǒng)采用高性能的傳動(dòng)裝置，可對(duì)轉(zhuǎn)矩的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行確定。通過(guò)力矩預(yù)置，能避免提升機(jī)啟動(dòng)時(shí)下墜，保證設(shè)備零速滿載時(shí)“懸?！?，減小設(shè)備受到的沖擊和磨損.

3 創(chuàng)新之處

采用TMS320F2812 DSP高端控制器；采用矢量控制，系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)性能，能滿足各種轉(zhuǎn)矩需求，且調(diào)速平滑無(wú)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在重物下方時(shí)可對(duì)鋼絲繩泄力做到有償控制；采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)3階輸出，減小電流總諧波畸變率，噪聲小，擁有較好的動(dòng)靜態(tài)性能；系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率低，同時(shí)損耗較小，效率較高；利用AFE變流器，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)四象限運(yùn)行，最大限度減小諧波含量；在線電機(jī)參數(shù)辨識(shí)和自適應(yīng)控制，使控制系統(tǒng)具有很高的魯棒性，使用不受場(chǎng)合和環(huán)境的影響；無(wú)速度傳感器技術(shù)的應(yīng)用，解決了由于速度傳感器安裝不當(dāng)或精度不夠影響系統(tǒng)性能的問(wèn)題；無(wú)感疊層母線的應(yīng)用，使主回路結(jié)構(gòu)緊湊，提高了可靠性；諧波含量小；重載懸停功能和重載鋼絲繩自動(dòng)補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)是采用非線性懸?？刂破鳎蓱?yīng)用于有速度傳感器或無(wú)速度傳感器矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中。

4 與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)的綜合比較

（1）同步機(jī)變頻系統(tǒng)較之直流轉(zhuǎn)矩響應(yīng)更好，利用IGBT進(jìn)行晶閘管的替代，控制周期3.3ms，頻率1kHz。

（2）在低速時(shí)，直流系統(tǒng)受電流紋波（3.3ms）影響；而變頻系統(tǒng)可零速全負(fù)載懸停。

（3）變頻系統(tǒng)換向火花無(wú)過(guò)載能力限制，較之直流系統(tǒng)性能更優(yōu)。

（4）同步電動(dòng)機(jī)采用雙繞組時(shí)，與直流電動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)一樣，都可以實(shí)現(xiàn)半速全載運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

（5）同步機(jī)電控系統(tǒng)具有明顯的節(jié)電效果，與老系統(tǒng)相比，節(jié)電6776度，節(jié)電19.4%，考慮變壓器損耗和線路損耗，實(shí)際系統(tǒng)節(jié)電超過(guò)20%；與直流電控系統(tǒng)比較同樣運(yùn)行72小時(shí)，可節(jié)電9%。

（6）重載懸停功能和重載鋼絲繩自動(dòng)補(bǔ)償功能是其它拖動(dòng)技術(shù)所不具備的。

5 推廣應(yīng)用情況

集團(tuán)公司羊場(chǎng)灣煤礦、任家莊煤礦、紅柳煤礦副立井提升機(jī)控制設(shè)計(jì)采用低速同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，計(jì)劃2017年安裝使用。

6 社會(huì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益

神華寧煤集團(tuán)公司金能煤業(yè)分公司、金家渠煤礦采用該系統(tǒng)，可配合其他礦用設(shè)備實(shí)現(xiàn)副立井提升機(jī)拖動(dòng)調(diào)速控制。

（1）系統(tǒng)保護(hù)齊全，故障率低，能自動(dòng)平滑的加減速，降低操作難度，避免超速、過(guò)卷等故障的發(fā)生，杜絕人為失誤帶來(lái)的安全隱患。

（2）提高設(shè)備舒適性。全程自動(dòng)化控制，變頻調(diào)速連續(xù)平滑，人員乘坐十分舒適，機(jī)械沖擊小。

（3）無(wú)諧波污染，不干擾其它設(shè)備。同步電動(dòng)機(jī)采用交直交變頻，功率器件為全控型器件，功率因數(shù)0.98以上，輕載時(shí)可實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。采用PWM抑制諧波，滿足國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)需治理裝置。

（4）全自動(dòng)加減速，節(jié)省了每勾提升時(shí)間，提高了產(chǎn)量。具有明顯的節(jié)電效果，可節(jié)電超過(guò)25%，特殊工況下節(jié)電更多，比如重物下放時(shí)可以把大量電能回饋電網(wǎng)。

（5）中礦傳動(dòng)國(guó)產(chǎn)提升機(jī)控制系統(tǒng)與西門子公司的提升機(jī)控制系統(tǒng)相比其成本約為進(jìn)口產(chǎn)品（西門子）的3/4。