閆 偉

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

提升機為綜采工作面的主要提升設備，肩負著煤礦煤炭、矸石、設備以及人員的運送任務。在實際提升任務中需根據(jù)運輸對象和重量等對提升速度進行分級調速控制，通過傳統(tǒng)調速系統(tǒng)差異繞線式電機轉子串電阻的方式實現(xiàn)上述功能，該種控制方式雖然設備構成簡單、控制方便，但是其能耗較大且機械特性較軟，而且還屬于有級調速，并不能夠滿足提升機實際提升任務的需求。提升機對應的負載屬于位勢負載，其控制系統(tǒng)要求具有較硬的機械特性，可在滿載狀態(tài)下啟動，滿足各種工況的無級調速等功能[1]。本文將交-直-交變頻器應用于提升機的提升任務中，并對其中涉及到的無級變頻調速系統(tǒng)進行設計說明。

1 提升機變頻調速系統(tǒng)性能研究

本文所述的交-直-交變頻器具體指的是ABB ACS6000 直接轉矩控制能量回饋型變頻器，該變頻器的結構如圖1 所示，ACS6000 變頻器其中的關鍵結構包括有PWM 整流器、逆變器、轉矩滯環(huán)比較器、磁鏈滯環(huán)比較器、扇形判斷器、轉矩模型和勵磁電流模型等。根據(jù)控制任務需求，交-直-交變頻器可實現(xiàn)對磁鏈的控制、轉矩的控制和勵磁電流的控制。其中，基于PWM 控制技術實現(xiàn)恒轉矩變頻調速功能，從而滿足提升機在加速提升、等速運行、停車減速以及低速爬行四個階段的運行要求[2]。

圖1 交-直-交變頻器結構示意圖

根據(jù)提升機無級變頻調速系統(tǒng)的控制需求，基于交-直-交變頻器的無級變頻調速系統(tǒng)除了核心的ABB ACS6000 直接轉矩控制能量回饋型變頻器外，還包括有整流單元、進線濾波單元、中間直流單元、逆變單元、勵磁整流單元、水冷單元、定子整流單元、勵磁整流單元等。其中，無級變頻調速系統(tǒng)的供電單元為ARU 可逆整流器、采用逆變器實現(xiàn)具體的頻率控制功能、采用同步機完成直接轉矩控制功能[3]。在上述各單元控制的基礎上，保證無級變頻調速系統(tǒng)滿足如表1 所示的性能。

表1 無級變頻調速系統(tǒng)調速性能

2 變頻調速系統(tǒng)傳動系統(tǒng)設計

本節(jié)重點對以交-直-交變頻器為核心的無級變頻調速系統(tǒng)中涉及到的傳動系統(tǒng)進行設計，包括脈寬調制整流器、勵磁整流裝置、逆變器等設備的設計，還對變頻調速系統(tǒng)的控制策略進行設計。

2.1 關鍵設備的設計

2.1.1 脈寬調制整流器

脈寬調制整理器的主要任務是對系統(tǒng)的功率因數(shù)進行調節(jié)，其調節(jié)機理為：通過對三相電壓的相位和幅值進行調節(jié)，從而實現(xiàn)對電流大小和相位的調節(jié)，其控制原理如圖2 所示。

圖2 整流器直流電壓控制原理圖

圖2 中脈寬調制整流器采用直流電壓閉環(huán)控制、電流有功分量控制及無功電流閉環(huán)控制的理念實現(xiàn)對電壓和電流相位和大小的控制。在實際控制中，只要設置電流為0，即可保證系統(tǒng)輸出功率因數(shù)為1。

2.1.2 勵磁整流裝置

勵磁整流裝置的主要功能也是對變頻調速系統(tǒng)的功率因數(shù)進行調節(jié)控制，其控制路徑為勵磁電流電路和電流控制電路。

勵磁電流電路的核心為勵磁整流變壓器和三相主控橋，該電路輸出的電壓值最高可達到800 V。而本交直交變頻器的無級變頻調速系統(tǒng)的勵磁額定電壓值僅為220 V。也就是說，本系統(tǒng)的勵磁電流電路具有極大的電磁慣性時間常數(shù)，可保證勵磁電流隨著定子的變化而實時變化，確保氣隙磁鏈的穩(wěn)定性[4]。

本系統(tǒng)的電流控制電路為閉環(huán)結構，其對應的電路圖如圖3 所示，電流控制電路通過其中的比例積分調節(jié)器實現(xiàn)對電路上電流的無靜差調節(jié)?？刂埔罁?jù)為勵磁電路上經(jīng)由分流器和隔離放大器A6032所反饋的電流。

圖3 電流控制電路圖

2.1.3 逆變器

逆變器的主要功能是對系統(tǒng)電路對應的輸出電路的高頻分量進行去除。因此，逆變器控制電路包括有主控制器AMC3（對直接轉矩系統(tǒng)中的同步電機進行控制）、帶有DDCS 分配器的傳動控制系統(tǒng)、INT2 接口板、轉速檢測單元（對電機轉速進行監(jiān)測）、轉子軸角度檢測單元、勵磁電流控制板、輸入輸出口遠程接口站、光通道連接裝置等。

2.2 控制策略的設計

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關規(guī)定，結合提升機的特殊運輸需求，在一般提升工況中將其分為加速提升、等速運行、停車減速以及低速爬行四個階段，對應如圖4 所示。

圖4 提升機變頻調速速度控制曲線

如圖4 所示，a1為加速提升階段的加速度值，一般取a1=0.75 m/s2；a2為停車減速階段的減速度值，一般取a2=1 m/s2。為保證交-直-交變頻器無級變頻調速系統(tǒng)能夠滿足提升機各種工況的控制需求，采用簡單的轉速閉環(huán)控制工藝存在一定的轉速跟蹤控制誤差，從而導致提升機停機不及時造成事故的發(fā)生[5]。為此，針對提升機的穩(wěn)定、安全控制需求，采用復合控制方案對提升機的速度進行控制，其對應的復合控制系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 復合控制系統(tǒng)結構框圖

如圖5 所示，復合控制系統(tǒng)是在基本閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎上，增加力矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對提升速度的精確、實時控制。

3 無級變頻調速系統(tǒng)的操作及應用

針對提升機無級變頻調速系統(tǒng)的控制，可通過遠程控制和本地控制兩種方案實施。其中，本地控制模式是對控制柜門上的按鈕和開關進行控制；遠程控制模式為上位機通過控制指令對主斷路器等相關電氣設備進行控制。針對本地控制，可對提升機進行啟動、停機、緊急斷電和相關硬件電路進行操控。

目前，基于交直交變頻器的無級變頻調速系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于屯蘭礦的提升系統(tǒng)中，自投入生產(chǎn)以來：提升機系統(tǒng)可穩(wěn)定、安全運行，各項控制指令均滿足提升機各工況的提升要求。同時，通過對現(xiàn)場提升機速度和電機電流的監(jiān)測結果可以得出：提升機的提升速度可按照預期的給定速度曲線運行；其在重載工況下也可穩(wěn)定運行，系統(tǒng)的輸出功率因數(shù)一直可穩(wěn)定控制在1；在實際應用中，未出現(xiàn)電流沖擊現(xiàn)象，不存在電網(wǎng)諧波污染現(xiàn)象等問題，具有較好的節(jié)能效果。

4 結語

提升機作為煤礦的主要提升設備之一，需按照“四階段”給定的速度曲線運行，以保證提升效率和安全性。傳統(tǒng)采用串電阻的調速方式節(jié)能效果較差，且僅能實現(xiàn)有極調速，并不能夠滿足提升機的實際生產(chǎn)需求。為此，本文以交直交變頻器為核心設計了無級變頻調速系統(tǒng)，并在綜合控制工藝的支撐下，該無級變頻調速系統(tǒng)具有地諧波、低損耗的優(yōu)勢。同時，該無級變頻調速系統(tǒng)與傳統(tǒng)調速系統(tǒng)相比不需要引入濾波器、無功補償裝置、熔斷器、斷路器等設備，節(jié)約了設備成本和占地面積。總的來講，交直交變頻器在提升機中的應用可極大增加提升系統(tǒng)的提升效率、安全性；具有明顯的節(jié)能效果和節(jié)約成本的效果，可大力推廣應用。