尹新華

（華陽集團七元煤業(yè)有限責任公司，山西 晉中 045400）

引言

我國較大的煤炭產(chǎn)量依賴于先進的采煤機械，礦井提升機作為煤炭掘進工作的重要輸送設備，其承擔著將煤炭從井下運至地面的重任[1-3]。礦井提升機的負載位勢負載，為了保證其安全可靠啟停，需要有較大的調(diào)速范圍，實現(xiàn)傳動裝置的四象限平滑運行[4]。礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)性能的好壞直接關系著煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效益和安全，必須引起高度重視[5]。交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，在調(diào)速性能、節(jié)能、“綠色”變頻等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，具有很好的應用前景。因此，針對某煤礦企業(yè)礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的需求現(xiàn)狀，開展交-直-交變頻器在礦井提升機中的應用具有重要的意義。

1 礦井提升機概述

某煤礦提升機的提升系統(tǒng)形式為多繩摩擦輪式結構，提升效率約為0.6 Mt/年，提升行程約為740 m，井口軌面的標高尺寸約為38.5 m，井底巷道軌面的標高尺寸約為-702 m；礦井提升機的矸石提升量約為60 kt/年，材料量約為30 kt/年，提升機工作時的最大提升器件為液壓支架，提升質量約為14.5 t，外形尺寸為5 869 mm×1 430 mm×1 700 mm；礦井提升機年平均工作時間為330 d，每天工作時間不少于16 h，執(zhí)行四班三運轉模式。礦井提升機的電動機型號為TBP1000-16，屬于低速直聯(lián)變頻調(diào)速同步電動機，電機的額定功率為1 000 kW，額定轉速為50 r/min，提升過程中的安全系數(shù)為2，使用的額定電壓為1 140 V，冷卻方式采用強迫風冷。

2 交-直-交變頻控制系統(tǒng)設計

礦井提升機的驅動電機為勵磁同步電動機，其額定工作頻率為1 000 kW，要求變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠實現(xiàn)電動機連續(xù)平滑調(diào)速功能。因此，結合礦井提升機的實際工況，選擇矢量控制形式，采用大功率三電平變換器實現(xiàn)變頻調(diào)速，控制系統(tǒng)結構如圖1所示。礦用提升機的電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)電網(wǎng)一側的電壓等級為6 kV，配置了高壓真空柜，以實現(xiàn)配電線路的保護與運行的安全。礦井提升機調(diào)速系統(tǒng)涉及進線柜1臺，定子變壓器饋能柜1臺，輔助變壓器饋能柜1臺。

圖1 提升機三電平變頻控制系統(tǒng)

3 選型設計

礦井提升機變頻驅動裝置設計的依據(jù)為同步電動機的參數(shù)，再次確定同步電動機的基本參數(shù)：額定功率為1 000 kW、額定電壓為1 140 V、額定電流為676 A、滿載勵磁電壓為70 V、滿載勵磁電流為490 A?；谏鲜鲭妱訖C參數(shù)，開展以下選型設計內(nèi)容。

3.1 變壓器容量

根據(jù)交-直-交變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的需求，參照直流母線電壓值，選擇設計整流側變壓器，確定變壓器的型號為1 250 kVA，變比為6 kV/1 000 V，能夠滿足礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)對于變壓器容量的要求。結合實際供電情況，變壓器選擇D/Y-11接線方式，有利于提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。

3.2 IGBT選型

變頻調(diào)速系統(tǒng)中的IGBT選型的依據(jù)包括負載的額定電流、過載倍數(shù)、直流母線電壓等，一般系統(tǒng)設計按照2倍過載倍數(shù)計算。為了降低IGBT模塊的關斷電壓尖峰數(shù)值，實際應用時多將變頻器的IGBT模塊和直流電容置于疊層母排位置。此處IGBT選擇Infineon公司生產(chǎn)的、型號為FF1400R17IP4的模塊，其額定電壓為1 700 V，額定電流為1 400 A。如圖2所示，給出了模塊的封裝結構圖，其中涉及兩個IGBT串聯(lián)結構，每個IGBT反并聯(lián)有續(xù)流二極管。與此同時，模塊內(nèi)部封裝有熱敏電阻，便于IGBT模塊內(nèi)部溫度的檢測。

圖2 IGBT模塊封裝結構

3.3 整流側電抗器選型

變頻調(diào)速系統(tǒng)電網(wǎng)一側的電阻器能夠很好地抑制諧波，避免其影響電網(wǎng)正常供電，也能夠很好地滿足系統(tǒng)電流瞬態(tài)跟蹤的性能要求。根據(jù)交直交變頻系統(tǒng)對于整流側電抗器的要求，選擇了L-0.7 mH的電抗器，其工作時的額定電壓為1 000 V。

3.4 直流母線電容選型

系統(tǒng)直流母線電容經(jīng)過RC放電一個時間常數(shù)之后電容儲存的電壓降低為原來的36.8%，則時間常數(shù)t=RC。根據(jù)變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求，電流內(nèi)環(huán)參數(shù)調(diào)節(jié)完成，電流需要在3～5個調(diào)節(jié)周期內(nèi)到達給定數(shù)值，外環(huán)電流響應需要較長的時間，需要配置響應的電感器才能保證其響應性能。直流母線電容實際使用過程中，為了降低直流側電壓波動和諧波，需要選取容量數(shù)值較大的電容，通常按照計算電容數(shù)值的3倍選擇電容，此處選擇3 707 μF的電容，滿足變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求。

3.5 檢測元件選型

礦井提升機變頻控制系統(tǒng)中三電平變頻器整流側選擇了可控整流模式，應用雙閉環(huán)控制方法，電壓的外環(huán)完成直流母線電壓數(shù)值的調(diào)控，內(nèi)環(huán)用于控制電流，檢測系統(tǒng)電流的反饋信號，故而需要配置電流傳感器。結合多年的工作經(jīng)驗，可以依據(jù)進線電流的1.5～2倍確定電流傳感器，選擇LF2005-S型電流傳感器即可滿足變頻控制系統(tǒng)的要求。

對比兩電平變頻器和三電平變頻器，直流側均存在上下兩個電容，變換器工作過程中，兩種換流回路各自對上下電容放電，很可能出現(xiàn)上下電容電壓不均的情況，必須引入中點電位平衡控制技術。電壓傳感器能夠實現(xiàn)上下電容電壓的監(jiān)測和電位平衡控制，電壓傳感器選型需要考慮直流母線電壓，結合調(diào)速系統(tǒng)的實際需求，確定選擇2個型號為TY-LMDY-3-A-1000V的電壓傳感器和1個型號為DVL2000的電壓傳感器。

3.6 勵磁變壓器選型

礦井提升機驅動電機為同步電動機，其工作時的額定勵磁電壓數(shù)值為70 V，額定勵磁電流數(shù)值為490 A，設計了可控硅整流電路為其提供電力。勵磁變壓器作為硅整流電路的電力來源，其性能直接關系著整個變頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須引起高度重視。結合實際變頻控制系統(tǒng)的需要，勵磁變壓器的容量選擇為250 kVA，選擇6 kV/0.3 kV的變比，接線方式為DY11。

3.7 充放電電阻選型

變頻調(diào)速系統(tǒng)中的三電平PWM整流電路，需要配置充電電阻以防止系統(tǒng)中過大的充電電流燒毀器件，由整流側變壓器二次側電壓設計值為1 000 V，要求此線路中的充電電阻能夠耐高于1 000 V的電壓。結合工作經(jīng)驗，選擇充電電阻的功率為200 W，阻值為50 Ω，同時，還選擇了功率為500 W，放電電阻為10 kΩ的放電電阻，以便合理控制放電時間。

4 應用效果評價

為了驗證交-直-交變頻器在礦井提升機中的應用效果，將搭建完成的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應用于礦井提升機中進行試運行，跟蹤記錄運行情況。結果表明，變頻調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了礦井提升機變頻控制的要求。統(tǒng)計結果顯示，提升機配置變頻系統(tǒng)之后，達到了提升機重載高功率工作、輕載低功率工作的目的，大大降低了提升機的電能消耗，減緩了結構件的磨損，減少了材料消耗，提高了提升機的有效利用率，節(jié)約了煤炭采掘成本，取得了很好的應用效果。

5 結語

礦井提升機作為煤炭掘進過程中的關鍵輸送設備，其具有工作時間長、服役條件差等特點，運行能耗較大。針對某煤礦企業(yè)礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的需求現(xiàn)狀，開展交-直-交變頻器在礦井提升機中的應用研究。結果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了礦井提升機變頻控制的要求。變頻系統(tǒng)在礦井提升機中的應用，相較于應用之前，重載高功率和輕載低功率模式下工作，大大降低了提升機的電能消耗，減緩了結構件的磨損情況，減少了材料消耗，提高了提升機的有效利用率，節(jié)約了煤炭采掘成本，該變頻系統(tǒng)具有很好的應用前景。