矿井提升机控制技术研究现状与发展.pdf

第 3 9卷 第 2期 2 O 1 3年 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y an d M i ne Aut oma t i on V0 1 ． 3 9 NO ． 2 Fe b ．2 O 1 3 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 2 0 0 3 3 0 6 D OI 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 0 9 苏长胜． 矿井提升机控制技术研究现状与发展[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 2 3 3 3 8 ． 矿井提升机控制技术研究现状与发展 苏长胜 黑龙江龙煤矿业控股集 团有限责任公司 鹤岗分公司鸟山煤矿筹备处 ， 黑龙江 鹤岗 1 5 4 1 0 0 摘 要 分析 了国 内外直 流 、 交流矿 井提 升机 控制 系统 的现 状 与发展 历程 ， 重点介 绍 了双 三 电平 拓 扑 结构 下3种变频调速 系统， 即定子侧 高压 变频调速 系统 、 同步电动机双三电平变频调速 系统、 交一直一交电压型双 三 电平 S VP WM 变频调 速 系统在 矿 井提 升机 控 制 系统 中的应 用 ， 指 出交一直一交 电压 型双 三 电平 变频 调 速 系统 节能 效果较 好 ， 最适 用 于矿 井提 升机控 制 系统 。 关 键词 矿 井提 升机 ； 提 升 机控 制 ；直 流调 速 ；变频 调速 ；双三 电平 ；节能 中图分类 号 TD 6 3 3 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 3 0 1 2 6 1 5 4 1 网 络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 3 0 1 2 6 ． 1 5 4 1 ． 0 0 8 ． h t m1 Re s e a r c h s t a t u s a n d d e v e l o p me nt o f c o n t r o l t e c h n ol o g y f o r mi ne ho i s t SU Ch a ng s he n g Pr e p a r a t o r y Of f i c e o f Ni a o s h a n C o a l Mi n e o f He g a n g Br a n c h，He i l o n g j i a n g L o n g ma y M i ni n g Hol d i n g Gr ou p Co．，Lt d． ，H e ga n g 1 5 4 1 0 0，Chi n a Abs t r a c t The pa p e r a na l y z e d s t a t us a nd d e v e l o pme n t p r oc e s s o f DC a nd AC mi ne h oi s t c on t r ol s ys t e m a t h o m e a nd a br o a d．I t e m p ha t i c a l l y i n t r od uc e d a p pl i c a t i on o f t hr e e f r e q ue nc y c o nv e r s i o n s pe e d r e g ul a t i o n s y s t e m s ba s e d o n do ubl e t hr e e l e v e l t o p ol o gy i n c on t r ol s ys t e m of m i ne ho i s t ， n a me l y h i gh v o l t a g e f r e q u e n c y c o n v e r s i o n s p e e d r e g u l a t i o n s y s t e m a t s t a t o r s i d e ，d o u b l e t h r e e l e v e l f r e q u e n c y - c o n v e r s i o n s p e e d r e gu l a t i o n s y s t e m o f s y nc hr o nou s m o t o r a nd AC DC AC v ol t a g e t y p e SVPW M f r e q ue nc y 。 。 c o n ve r s i o n s pe e d r e gu l a t i o n s y s t e m wi t h d ou bl e t h r e e l e ve 1 ． A n d i t i nd i c a t e d t ha t AC DC AC vo l t a ge t yp e f r e qu e nc y - 收稿 日期 2 0 1 2 - 1 1 2 9 。 作者简介 苏长胜 1 9 6 2 一 ， 男 ， 黑龙江鹤岗人 ， 高级工程师 ， 主要从事煤矿生产管理和建设 工作， E ma i l f a n s h o n g 0 3 0 2 1 6 3 ． c o rn。 参考文献 [1 ] 张 申， 赵小虎． 论感知 矿 山物联 网与矿 山综合 自动 化 E J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 1 8 3 8 6 ． [ 2] 张 申， 丁恩 杰 ， 赵小虎 ， 等． 数字 矿 山及其两 大基 础平 台建设I- J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 7 ， 3 2 9 1 0 3 1 0 7 ． [ 3] 工业 和信 息化 部 电信研 究 院． 物联 网 白皮 书 2 0 1 1 l, J - I ． 中国公共安全 综合版 ， 2 0 1 2 增 刊 1 1 6 8 1 7 3 ． [4] 张申， 丁恩杰， 徐钊 ， 等． 物联网与感知矿山专题讲座 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 1 0 1 0 4 1 0 8 ； 2 0 1 0 ， 3 6 1 1 1 2 9 - 1 3 2； 2 0 1 0， 3 6 1 2 1 1 7 - 1 2 1 ； 2 O 1 1 ， 3 7 1 1 0 5 1 08 ． [5] 李雨 田． G E P O N 千兆无 源光 网络技 术在平 煤十 二矿 的应用l, c ] ／ ／第 1 8届全国煤矿 自动化学术年会 中国 煤炭 学会 自动化专业委员会学术会议 ， 杭州 ， 2 0 0 8 ． [ 6] L E E B T ． S e ma n t i c we b t u t o r i a l u s i n g N3 I, E B ／ OL ] ． 2 0 0 3 0 5 2 1 [ 2 0 1 2 1 0 1 8 ] ． h t t p ／ ／ www ．w 3 ． o r g ／ 2 0 0 0 ／ 1 0 ／ s wa p ／ d o c ／ ． [ 7] 刘鹏 ， 张 申， 巩思 园． 基于 S a a S的矿震远 程预 警系统 关键技术初探_ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 2 ， 3 8 5 1 - 4 ． [ 8] 张申 ， 刘鹏 ， 张 彭． 感知 矿 山物联 网云计 算应 用 探索 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 9 7 2 7 5 ． [9] TA N Y i n g ， G OD D AR D S ， P E R E Z L C ．A p r o t o t y p e a r c h i t e c t u r e f o r c y b e r - p h y s i c a l s y s t e m [ E B ／ OL] ． 2 0 0 8 0 1 2 0 1- 2 0 1 2 1 0 1 8 ] ． h t t p ／ www ． C S ． v i r g i n i a ． e d u ／ s i g b e d ／ a r c h i v e s ／ 2 O O 8 一 O 1 ／ T a n ． p d f ． [ 1 0 ] L E E E A， S E S HI A S A． I n t r o d u c t i o n t o e mb e d d e d s y s t e ms a c y b e r - p h y s i c a l s y s t e ms a p p r o a c h[ E B ／ OL ] ． 2 0 1 1 0 3 1 2 [ 2 0 1 2 - 1 0 1 8 ] ． h t t p ／ ／ L e e S e s h i a ． or g． 3 4 工矿 自动化 2 0 1 3年 第 3 9卷 c o nv e r s i o n s p e e d r e gu l a t i on s ys t e m ha s b e t t e r e ne r g y s a v i ng e f f e c t a n d i s mos t s ui t a b l e f or c o nt r o l s ys t e m o f n l J n e h o i s t ． Ke y wo r d s mi ne ho i s t ； ho i s t c on t r o l ；DC s p e e d r e gu l a t i on；f r e q ue nc y c on ve r s i on s p e e d r e gu l a t i o n； d o ub l e t hr e e l e v e l ；e ne r gy s a v i ng 0 引 言 矿井提升机作为煤矿生产 中的咽喉设 备， 对矿 井 的安全 生产 和经 济运行 具有 极其 重要 的地位 。矿 井 提升机 系统 不仅 装机 容量 大 、 能耗 大 ， 而且 要求 可 靠性高 ， 作为一个周期性运行的系统， 其要求拖动电 动机在 4个 象 限内频繁 启动 、 制动 和反 向运行 。 煤 矿 安全规 程 中对 矿 井 提升 机 正 常 运行 时 各 个 阶段 的加速度、 行程和最终 的停 车位置均有精确要求 。 因此 ， 有 必要 对矿 井提 升机 控制 系统进 行研究 口 ] 。 近年来 ， 随着 电力 电子技术 、 计算机技术、 通信 技术 和 自动 化 技 术 的 发 展 以及 新 型 电路 拓 扑 的 出 现 ， 矿 井提 升机 控制 系统 在 研究 、 设计 、 制造 和使 用 等方 面都 取得 了较 大进步 。 目前 ， 国外在 高性 能交 、 直 流提升 机控 制技 术 的研 究 与应用方 面一 直走 在前 面 ， 以 AB B公司和西 门子公司为代表的国外企业 ， 他们 的矿井提升机控制系统产品在全球一直居于主 导地 位 。我 国在矿 井提 升机控 制 系统研 制方 面起步 较晚， 国内大部分厂家所开发的产品的核心技术仍 然选 用 国外 的产 品或者 以 国外 的产 品 为基础进 行 开 发 。因此 ， 有 必要 研 制 安全 可 靠 、 价 格适 中、 国产 高 性能的矿井提升机控制系统 ， 并尽快在煤矿 中进行 推 广应 用 。 1 直 流矿 井提 升机控 制 系统现 状与进 展 直流传 动技 术最 早 出现在 1 9世 纪 3 O年 代 ， 采 用 蓄电池 为 直 流 电动 机 供 电 。1 8 9 4年 ， AE G 公 司 为西格 兰德 矿开 发 了第 一套 基 于直 流 发 电机 一电动 机 F D 系统 的 矿井 提 升 机 控 制 系统 _ 2 j ， 这是 最 早 应用 到矿 井提 升机 中 的直 流调 速系统 ， 一 直到 2 0世 纪 6 0年 代 ， F D 系统 一 直 是较 大 容 量 矿井 提 升机 的首选方案。但 F D系统存在设备复杂 、 占地面积 过大、 效率低 、 故障点多等缺陷。从 2 0世纪 6 0年代 开始， 在容量较大 、 要求较高的矿井 中， 开始采用晶 闸管变流装置供 电的直流调速 S C R D 系统作为 矿井提升机控制系统。从此 ， 矿井提升机直流调速 系统 一直采 用 S C R D 系统 。 在 整个 直 流 调 速 系 统 的 发 展 过 程 中 ， 国 外 的 AB B公司和西门子公司一直处在行业的领先地位。 在 S C R D 系统应用 方面 ， AB B公 司推 出了 D C S系 列 产 品 ； 西 门子 公 司早 期 推 出 了 6 R A2 2系 列 产 品 ， 后期推 出了 6 RA7 0系列产品， 基于模块化结构 的需 要 ， 又推 出了 S I MAD YN D 控制 器 ， 该 控制 器 可 以 用在 交直 流大功 率拖 动系 统 中。 目前 ， 在 我 国拖 动 容 量 大 于 1 0 0 0 k W 、 小 于 2 0 0 0 k W 和提升 速度 大于 1 0 m／ s的矿 井 提 升机 一 般均采用直流拖动方式。2 0世纪 6 O 、 7 O年代 ， 我 国 矿井 提升 机普遍 采用 “ F D机 组 继 电器控 制 ” 的 拖动方式 ， 但 F D机组拖动 系统存在能耗大 、 噪音 高 、 维护 困难 等缺 点 。2 0世 纪 8 O年代 ， 我 国矿 井提 升 机开 始 采 用 “ S C R D 模 拟 调 节 继 电 器控 制 ” 的拖 动方 式 ， 这种 方 式 具 有运 行 效 率 高 、 节 电效 果 显著 、 占地 面积 小 、 易 安 装 等优 点 ， 但 由 于分 立 元 件多 ， 矿井 提升机 控制 系统 的构 成极 为庞大 ， 不但 现 场调 试工作 量大 ， 正常 使用 时维护 量也 较大 ] ， 整 个 系统 的可靠 性也 会受 到影 响 。随着计 算机技 术 的发 展和控制理论的不断丰富和完善， 利用计算机实现 的全数字控制器出现在实用领域， 可有效 提高控制 系统 的智 能化 水 平 。2 0世 纪 9 0年 代 ， 全 数 字 直 流 调速 电控 系统在 我 国矿井 提 升机 S C R D 系 统 中开 始应 用 。 国产 矿井 提升机 全数 字直 流调速 系统 以徐 州中矿大传动与 自动化有限公司开发的 AS C S系列 产 品为代 表 ， 其 结 构 如 图 1 所 示 。国 内其 他 厂 家 主 要 采用 AB B公 司或西 门子公 司 的传 动 产 品 ， 经过 扩 展 来 没计 矿 井提升 机直 流调 速系统 。 6k v或 1 0k v母线 低 压控制 电源 图 1 AS CS全 数 字 直 流 调 速 系 统结 构 AS C S全数字直流调速系统的主控部分采用模 块化结构 ， 可以方便组成磁场恒定 、 电枢换 向 或磁 场换 向、 电枢方 向不变 的串、 并 联十二脉动等全数 字直流调速方案。该系统包括电气传动和提升控制 与保护 2个部分。电气传动部分主要包括高压开关 柜 、 整流变压器 、 励磁柜 含励磁 变压器 、 晶闸管电 2 0 1 3年 第 2期 苏长胜 矿 井提 升机 控 制技 术研 究现 状与发 展 3 5 枢整流柜 、 电抗器及直流快开装置。提升控制与保 护包括调节器、 主控系统 、 操作台及外围传感器 。目 前 的直 流矿 井提 升 机 电控 系统 ， P L C除 用 于 实现 提 升工艺 的控制 ， 还用 于安全可靠性要求很 高的监视 和保护 回路 。由于 P L C功能的多样性 ， 在用其构成 控制、 监视和保护系统时 ， 可以很方便地实现各种以 前采用继电器元件无法实现的功能， 使控制 、 维护性 能有 了质 的飞跃 。 晶闸管变流器一电动机传动具有动作速度快、 可靠性高、 维护工作量小 、 故障少、 运行效率高、 体积 和占地面积小等优点 。缺点是对交流电网的无功冲 击大， 会产生较大的启动压降； 高次谐波会引起交流 电网电压正弦波形的畸变 ， 干扰其他用电设备 ； 运行 功率因数低。如果对变流器采取特殊 的接线方式 ， 将 电枢回路用 2组晶闸管桥 串联 ， 采用顺序控制则 可 以提 高功率 因数 ， 特 别 是 配 置无 功补 偿 和谐 波 吸 收装置后 ， 将大大削弱晶闸管整流装置对交流 电网 的无功冲击和谐波污染。因此 ， 由晶闸管变流器供 电的直流传动装置具有广阔的应用远景 。 2 交流 矿 井提升 机控 制 系统现 状 与进展 由于直流 电动机调速系统一直存在换 向难题 ， 使得直流电压最高只能达到 1 0 0 0 V。与直流电动 机相 比， 交流异步 电动机转 子绕组不需要与其他电 源连接 ， 无直流电动机换 向器单元 ， 具有结构简单 、 制造方便、 运行可靠 、 质量小 、 成本低等优点。结构 上的优点使得交流电动机容易做成高转速 、 高电压 、 大电流、 大容量 的设备 。因此 ， 随着世界电力半导体 技术和交流同步电动机传动装置的开发 和生产 ， 矿 井提升机传动装置又 向交流传动方式发展 。目前 ， 我 国已在普遍引进 由大容量交 一 交变频器供 电的交 流同步电动机传动系统 ， 全数字化、 自动化 的提升机 成 为 当今 矿井 提升 技术 的发 展方 向 。 交 流矿 井 提升 机控 制 系统过 去普 遍采 用绕 线 电 动 机转 子 回路 串 电阻 控 制 方 式 ， 该 控 制 方 式 属 于转 差功率消耗型调速方式 ， 能耗较大 ， 国家于 2 0 0 8年 3月 已经明确禁止该控制方式用于提升机控制系统 中。1 9 8 5年 ， 德 国鲁 尔大学 的 De p e n b r o c k教授提 出了一 种 新 型 交 流 调 速 理 论直 接 转 矩 控 制 Di r e c t To r q u e C o n t r o l ， D TC 技术， 标志着交流调 速理论开始 出现重大突破。2 0世纪8 0年代 ， 随着电 力电子技术 向高压 、 高频 、 大 电流方向发展 ， 尤其是 高压、 大功率的 I GB T、 I G C T、 GT0、 MOS F E T等器 件 的发展 ， 大功率变频器的出现成为可能_ 4 j 。随着 变频技术 、 现代控制理论和 P L C技术的应用 ， 使得 矿井提升机控制系统更加简单 ， 可靠性和安全性大 大提高。因此 ， 采用新型拓扑结构的矿井提升机控 制系统 ， 可以将提升机工作在发 电状态的电能 回馈 电网 ， 节 约 了电能 。 目前 ， 交 流 电动机 的调速 性 能 已 经超越 直 流 电动机 。 2 ． 1 国外研 究现状 与进 展 随着 变 频 器 和控 制 技术 的不 断 发展 ， 国外 矿 井 提升机变频调速系统 的各个组 成部分也在不 断发 展 ， 具体如下所述。 2 ． 1 ． 1 控 制理 论和 控制 技术 的发 展 随着 交 流 电动 机 应 用 范 围 的扩 大 ， 新 型交 流 电 动机控制方法也在不断地涌现， 目前在高性能的交 流变频 调 速 领 域 主 要 有 矢 量 控 制 和 直 接 转 矩 控 制 2种 。 各 国学 者在 交 流 电 动机 控 制 理 论 方 面做 了大 量 的研究 ， 主要表现在以下几 个方面 参考文献[ 5 9 ] 结合 电压模型磁链观测和电流模型磁链观测的优 点 ， 采用 Ka l ma n滤波和模型参考 自适应等理论对 电动机磁链进行观测。参考文献 [ 1 0 1 1 ] 对无速度 传感器技术进行 了研究 ， 主要集中在提高转速估计 精度、 降低系统参数变换敏感度、 降低系统复杂性 、 提高系统抗噪声干扰 的鲁棒性等方 面。参考文献 [ 1 2 ]对大功率矢量控制系统进行 了研究 。参考文 献[ 1 3 ] 对电动机参数辨识 问题进行 了研究 ， 准确 的 电动机参数是转子磁链观测的基础 。 2 ． 1 ． 2 高压 变频 器 的发展 2 0世 纪 8 O年 代 以 来 ， 以 I GB T、 I GC T、 I E GT 为代表的双极型复合 自关 断器件取得了长足进步 ， 与此同时， 高压大容量变流器技术也迅速发展起来 ， 特别是多电平逆变器技术的研究与应用 日趋成为大 功率变流器的研究热点 。 1 9 7 7年 ， 德 国学 者 Ho l t z 首 次提 出 了利 用 开关 管辅 助 中点箝 位 的三 电平 逆 变 电路 ， 1 9 8 0年 日本 的 Na b l e A等 人对 该 电路 进 行 了发 展 ， 提 出 了二 极 管 箝 位 式 Ne u t r a l P o i n t C l a mp e d ， NP C逆 变 电 路口 。经 过 多年 的研究 和发 展 ， 得 以实际 应 用 的多 电平逆变器主要有 3 种拓扑结构 ， 即二极管箝位型、 电容箝位 型和具 有独立 直流 电源 的级联 型 也称 H桥级联型 。随着 以高压 I G B T、 I GC T为代表 的 性能优异的复合功率器件的快速发展及对各种相应 的 P WM 控制算法的不断深入研究 ， 上述多电平逆 变器逐步走上实用化_ 1 引。与传统的两 电平逆变器 相比， 多电平逆变器表现出显著的优势 多电平逆变 器每个功率开关器件上承受的反压只有直流母线电 3 6 工 矿 自动化 2 0 l 3年 第 3 9卷 压 的几分 之一 与 具体 的 电平 数有 关 ， 这 样 就可 以 利用低电压等级的高速开关器件 I G B T等 来代替 高电压等级的低速开关器件 G TO等 ， 从而提高开 关频率 ， 改善输出波形 ， 减少脉动 ， 提高电动机效率 ， 节约成本； 在相同的输出电压 、 电流谐波要求下 ， 应 用多电平拓扑可以降低器件的开关频率 ， 从而降低 器件的开关损耗 ， 提高效率 ； 在相同的直流电压条件 下 ， 多 电平 逆 变器 的 d u ／ d t 、 共模 干扰 比两 电平 逆 变 器小 ， 大大减少了电磁干扰和电动机绕组 上的尖峰 电压 ， 有利于电动机的安全运行 。目前， 国外已有高 压大 功 率 三 电平 商 品化 产 品， 如 西 门子 公 司 的 S I MOVE R T MV 系列 ， AB B公 司 的 AC S 6 0 0 0系列 等 。飞跨 电容 多 电平变换 器成 熟商 品化 代表 为法 国 阿尔斯通 公 司的 AI S P A C DM 6 0 0 0系列 四 电平 高 压 变频 器等 。 2 ． 2 国内研 究现 状 与进展 较 早 以前 ， 我 国交 流 矿井 提 升机 控 制 系统 一 般 采用交流传动方式 。交流传动的最大优点 技术较 简单 ， 设备及安装费用低 ， 建筑面积小， 运行维护容 易 ； 最 大缺 点 电气 调 速性 能 差 ， 在 减 速 和爬 行 阶段 需要另外增设传动装置 ， 如动力 制动 、 低频传动等 ， 虽然 调速性 能得 到 了 改 善 ， 却 增 加 了设 备投 资 和系 统 的复杂性 。 目前 ， 由交 一 直 一 交 变频 器供 电的 交流 提 升机成 为我 国矿 井提升 技术 的发 展方 向 。 目前 ， 大 多数 矿井 的低 频 电源 采 用 的是 低 频发 电机组 ， 一套低频机组使用了 6台电动机， 占地面积 大 ， 噪声 大 ， 维护工 作量 大 。虽然整 个拖 动 系统采 用 了速度 闭环 控制 ， 但 由于是大 惯性 环节 的 串联 ， 调 速 系统 的放大倍 数很 小 ， 几乎没 有 自动调 节能力 ， 难 以 满 足在 负 载 大 幅 度 变 化 下 实 现 恒 减 速 的需 要 。此 外 ， 低 频机 组 的输 出 电压最 高 只有 4 2 0 V， 爬行 时特 性 较 软 ， 当 负 载 较 重 时 ， 爬 行 时 间 加 长 。2 0世 纪 7 O年代 初 ， 由天 津 电 气 控 制 设 备 厂 生 产 的 晶 闸 管 交 一 交 变 频 低 频 拖 动 装 置投 入 运 行 ， 由于受 当 时检 测手段 的限制 ， 该装置采用的是有环流方式 ， 控制采 用模拟电路实现， 其低频 电压给定信号 由伺服 电动 机及调制解 调 电路 获得 ， 可靠性 差 ， 调速性 能差 。 2 O世纪 8 0年代 ， 淮南矿业集 团李 一矿科研所研制 出电压型无环流晶闸管交一 交变频低频拖动装置并 投入运行 。该装置有一部分采用计算机控制 ， 主要 用于触发信号的产生。其在减速和爬行段分别采用 不同的控制方式 减速段 ， 装 置工作于动力制 动方 式 ， 由模拟调节电路实现速度 、 电流双闭环 ； 爬行段 ， 装置转入交一 交变频方式 ， 变频 时的无环流换 向是 根据 负载情 况确 定 时 刻 并 固定 。因此 ， 该 装 置 中 的 正反组变流器存在换向不可靠问题， 现场运行状况 不令人满意。鸡西煤矿专用设备厂等单位也分别研 制过类似的交一交变频低频装置， 但都没有达到较 好 的性能 。1 9 9 5 年 ， 由中 国矿业 大 学研 制 的全数 字 电压 型无 环 流交 一 交 变 频 低 频 拖 动 装 置 投 入 运 行 ， 该装 置很 好地 解决 了减 速 和爬 行 问题 ， 具 有 较好 的 运行效果 。但该系统的核心是 I n t e 1 8 0 9 7单片机系 统 ， 存在调试困难的问题[ 1 引。 目前， 国内市场上常规的交一直一 交变频器 主要 用于通 风机 和泵 类 负载 的较 多 ， 用 于具 有位 能 负 载 的提升 机拖 动系 统 只有 徐 州 中矿 大传 动与 自动化 有 限公 司开 发 的三 电平 变频 调速 系统 能满足 四象 限运 行 的要 求 。近几 年 ， 国 内也 开 始对 交 流 矿 井 提升 机 变频技术进行了研究 ， 大部分所走 的技术路线是 以 国外 公 司的全 数字 变 频 器 为核 心 ， 采 用 无 速 度矢 量 控 制技 术和 电流 双 闭环 方式 ， 使 得矿 井 提 升 机 控 制 系统 中的变频 器 在频率 为 0 ． 5 Hz 时 ， 电动机 就可 达 到 1 ． 5倍 的启 动 力矩 ； 在负 载 大 幅 度变 化 时采 用 制 动单元进行制动， 保证在任何情况下， 只要负载变化 超 过其 额定 负荷 时 ， 提 升机 实现恒 减速 。 2 ． 3 双三 电平拓 扑 结构 下 3种 变频调 速 系统 三电平 电压 源型逆 变器 是 日本长 冈科技 大学 学 者于 1 9 8 0年 国际研究 协会 I S A 年 会 上首 次提 出， 也叫“ 中点箝位式逆变器” ， 它的出现为高压大容量 电压型逆变器的研制开辟了一条新思路| l 】 。 。 2 ． 3 ． 1 定子侧高压变频调速系统 目前 ， 定 子 侧 高 压 变 频 调 速 系 统 主 要 适 用 于 6 k V和 1 0 k V 电压 等级 的交 流 电动 机 ， 是应 用 最广 泛 的一种 交 流 调 速 系 统[ 2 。 图 2为定 子 变频 矢 量 调 速装 置结 构 ， 6 k V 交 流 电 网通 过 三 相 变 压 器 T 和进线 电抗 器 L 与 交 一 直 一交 H 桥 三 电 平 功 率 变 换器相连接 ， 为鼠笼 电动机 的定子绕组提供变压变 频 的三相交 流 电压 ， 实 现 电动机 变频调 速 。 该 装置 采用 双 三 电平 拓 扑 结构 ， 是 一种 新 型 矿 用变频器， 不仅可满足井上 和低瓦斯矿井井下大功 率、 中高压变频调速场合 ， 通过进一步的防爆设计 ， 还可满足高瓦斯矿井井下大功率 、 中高压变频调速 场合 。其简洁优化的 S VP WM 控制方式 ， 能获得 良 好的中点电位控制 ， 延长系统中电容的使用寿命 ， 输 出低畸变的电压， 满足矿井任意场合大功率、 中高压 变频 调速 的要求 。 2 ． 3 ． 2 同步 电动机 双 三电平 变频调 速 系统 直接转矩控制方法是在定子坐标系下对电动机 2 0 1 3年 第 2期 苏长胜 矿 井提 升机控 制技 术研 究现状 与发展 3 7 图 2定 子 变 频 矢 量 调 速 装 置 结 构 进行控制 ， 结构简单 ， 在很大程度上克服了矢量控制 中由于坐标变换引起的计算 量大、 控制结 构复杂等 缺点 ， 是 一种 很 有 发 展前 途 的交 流 调 速 方 案 。将 直 接转矩控制方法与三电平拓 扑结构结合 ， 可开发 出 基于直接转矩控制的同步 电动机三 电平变频调速方 案。参考文献[ 2 1 ] 采用 AB B公司生产 的 AC S 6 0 0 0 变 频 器应 用于 煤 矿 主井 提 升 系统 中 ， 该 系 统 采 用 直 接转矩变频调速方案 ， 其调速性 能与节能效果 明显 优于 AC ／ AC变频驱动的 同步 电动机传动 系统 ， 具 有结构简单 、 动静态性能好 、 能耗低的特点。参考文 献[ 2 2 ]介绍 的基于直接 转矩 变频调速 方案的矿井 提 升 系统 ， 具 有 无功 冲击 和谐 波 污染 小 ， 无 需增 加 功 率补 偿 和滤 波装 置 的特 点 。 直接转矩控制方法也有其不足之处 由于采用 滞环控制， 使得实际转矩存在波动 ， 更好的控制性能 需要更高的采样周期和开关频率 ， 但这会加重处理 器 的负担 和 功率 器 件 的 开关 损 耗 ； 由于 以 电压 模 型 观测 定子 磁链 ， 在 低速 时存 在 较大 误差 ， 影 响低 速性 能 。为此 ， 徐 州 中矿 大 传 动 与 自动化 有 限公 司开 发 出一 种双 三 电平 的 同步 电动机 变频 调速 系 统 。该 系 统 主 回路采 用 背靠 背 的双 三 电平 结 构 ， 矢 量 控 制 器 采用“ D S P F P GA” 结构 ， 可 以实现速度、 电流闭环 控制 、 单位功率 因数控制、 转子磁链定向变频矢量控 制和故障 自诊断等功能 。参考文献[ 2 3 ] 通过对电励 磁同步机交 一 直一交矢量 控制系 统的研究 ， 提 出了 一 种基于混合模型 的气隙磁链观测模 型 ， 该模型不 仅对电动机参数变化具有较高的鲁棒 性， 而且能够 平滑地实现高低速观测模型的切换 。 2 ． 3 ． 3 电压型 双三 电平 S VP W M 变频 调速 系统 交 一 直一 交 电 压 型双 三 电 平 S VP WM 变 频 调 速 系统 主要 由三相交 流 电源、 断路器、 整流 变压器 、 二极 管 整流 器 、 限流 电阻 、 滤波 电容 、 制动 单元 、 二极 管中点箝位式三电平逆变器及其保护电路 、 异步电 动机等组成 ， 其结构如图 3所示 。 3 交 一直 一交 电 压 型 双 三 电平 S VP W M 变频 调速系统结构 在 交 一 直 一 交 电压 型双 三 电平 S VP WM 变频 调 速 系统 中 ， 整 流 器 和 逆 变 器 均 采 用 S VP WM 技 术 ， 无需 增加 任何 附加 电路 就 能实现 变频 器再 生能 量 向 电网的 回馈 。根据 能 量 的流 向 ， 系 统 运行 状 态 可 以 分为 2种 1 能量 由三相交 流 电 网流 向电动机 负载 当电动机处于拖动运行状态时 ， 能量由交流电 网经整流器流向逆变器 。此 时， 整流器工作在整流 状态 ， 使用 S VP wM 方式控制交流网侧的电流与电 网相电压同相位 ， 实现单位功率因数整流； 逆变器工 作在逆变状态 ， 逆变桥开关管在 S VP WM 控制下 ， 输 出频 率 与幅值 可 调 的正 弦 电压 信 号 ， 实 现 交 流 电 动 机 的变频 调速 。 2 电动机 再生 能量 馈入 三相 交流 电 网 当电动机处于减速运行时 ， 由于负载惯性作用 进入发电状态 。此时 ， 逆变器工作在整流状态 ， 交流 电动机的再生能量经由逆变器中的开关元件和续流 二极 管 向 中间直 流环 节 的储 能 电容充 电 ， 使 电容 器 两端电压升高 ； 整流器工作在有源逆变状态 ， 其开关 元件 在 P WM 控制 下 ， 将 能量 馈人 交流 电 网中 ， 完 成 能量 的双 向流 动 。同 时 ， 由 于 P W M 整 流 器 的闭 环 控制作用 ， 加上使用 自关断器件和开关频率 的大幅 度提高， 使馈人 电网的电流为与 电网相 电压相位相 反的正弦波， 系统的功率因数约等于 1 ， 消除了变频 装置对 电网的谐波污染。实质上， 交一 直一 交电压型 双 三 电平 S VP WM 变 频 调 速 系 统是 P WM 整 流器 和变频调速技术 的综合体 。 以晋城煤业集团成庄煤矿副斜井提升机电控系 3 8 工矿 自动 化 2 O 1 3年 第 3 9卷 统为例来说明交一 直一交电压 型双三 电平 S VP WM 变频调速系统的节能效果。2 0 0 9年， 该矿副井绞车 房 月平均 用 电量为 7 7 8 8 k W／ h ， 矿井 提升机 变 频调 速系统于 2 0 0 9年 1 2月改造完毕， 1 4月 的平均用 电量为 2 9 5 8 k w／ h ， 实 际节 电率 为 6 0 ， 远 远 高 于 预 期 的 2 0 的节 电效 果 。矿 井 提 升机 调 速 方 式 改 为转 子变频 调速 后 ， 设 备运行 平稳 ， 绞 车在停 车 时实 现了平稳减速 ， 降低了对提升机的机械冲击 ， 减少 了 滚筒对闸瓦及闸皮的磨损 ， 从而降低 了设备 的使用 成本 。同时 ， 该 系统 通过转 接装 置 ， 可 以 和原有 的提 升机 TKD控制 系统互 相备用 ， 提高 了系统 的冗余 度 和设备 利 用率 ， 最大 程 度 上 满 足 了节 能 减排 和提 高矿井提升机控制 系统安全性 的作用 。因此， 交一 直 一 交 电压型 双三 电平 变频 调 速 系统 最 适用 于 矿 井 提升 机控制 系统 。