矢量控制变频技术在架空乘人装置中的应用

【摘要】2 变频技术概述 老式架空乘人装置驱动部份一般是采用开关软启动方式，调速方式采用简单大电阻调速，甚至不调速。这两种方式都达不到现代数字集成控制技术的控制要求。而交流变频调...

【摘 要】架空乘人装置，俗称“猴车”，在煤矿中广泛应用于斜巷人员运输。因其运行的安全性、可靠性直接关系到职工的人身安全，在对架空乘人装置的控制要求必须实现安全性、稳定性、精确性和舒适性。因此我们在架空乘人装置的现代化集成数控系统中采用了能将电机产生的反向电能回馈给电网的高性能四象限运行矢量控制变频器。不仅解决了一般变频器的功率电阻问题，而且通过反馈系统节约了电能。

【关键词】矢量控制；架空乘人装置；变频技术

1 引言

青龙矿是一个年产120万吨的现代化煤矿，其现代化程度高、设备先进，其中就有变频技术的广泛应用，在架空乘人装置上的应用便是一例。架空乘人装置，俗称“猴车”，在煤矿中广泛应用于斜巷人员运输。因其运行的安全性、可靠性直接关系到职工的人身安全，在对架空乘人装置的控制要求必须实现安全性、稳定性、精确性和舒适性。

随着现代电力电子技术的发展，对架空乘人装置动力控制的要求向着数字精确控制的方向发展，对架空乘人装置提出了越来越高的要求。要求架空乘人装置可以与绞车闭锁；运行更加安全、可靠；可以利用计算机监控并实现静态上下车；精确定位人员位置防止越位；紧急停车；安全舒适等。而且在节能减排实现企业可持续发展的今天对系统的工作效益也提出了更高要求。

2 变频技术概述

老式架空乘人装置驱动部份一般是采用开关软启动方式，调速方式采用简单大电阻调速，甚至不调速。这两种方式都达不到现代数字集成控制技术的控制要求。而交流变频调速方式其系统的集成化、精确化、数字化以及低维护等特点却可以与现代集成控制技术完美对接。

但交流变频技术中单一的V/F恒定控制和简单的电压空间矢量控制的方式可控性和精确性仍然满足不了现代集成系统中数字化控制中的系统需求。而本单位采用的四象限矢量控制变频技术有更高的数字化性能。其可实现电机精准控制、可扩展的通讯接口、多位数字量和模拟量接口、尤其是矢量控制方式的无传感器特点对工作场所的适应能力等，正是这些优点保证了架空乘人装置的控制实现了数字化控制要求。

架空乘人装置是在一定倾角的斜巷中运送人员的设备。在人员上行时，电动机处于消耗电能状态；在人员下行时电动机却处于产生电能状态。在一般二象限变频器控制时，其往往要采取能耗制动的方式，例如加装功率电阻，但功率电阻的大个头和产生的高热量，给整个系统的空间布局和系统散热带来了很大的困扰。因此我们在架空乘人装置的现代化集成数控系统中采用了能将电机产生的反向电能回馈给电网的高性能四象限运行矢量控制变频器。不仅解决了一般变频器的功率电阻问题，而且通过反馈系统节约了电能。

架空乘人装置的运行分为两个部分，一是在人员上行时从供电网络中消耗电能，二是在人员下行时产生电能回馈给供电网络。在理论上节约能量是100%的，但由于机械磨擦力、阻尼系数、电器部件本身的损耗等因素影响，其系统节能率可达80%―90%。我矿架空乘人装置就使用了回馈型四象限矢量控制变频器技术。

3 矢量变频器的结构和工作方式

它由PIU整流单元、VDC控制单元、VDI逆变单元三个单元组成，如下图。

3.1 整流单元（PIU单元）

此部份由滤波器（L-C-L）、控制开关和抑流电阻组成。作用是对输入回路的进出电压进行波形整定以及为全系统作预充电。启动时通过可调限流电阻的方式对系统的整个直流回路的电容进行慢充电同时命令旁路电阻执行工作状态。

整个系统输入电压范围宽度小于PIU内滤波器（L-C-L）的工作电压范围宽度，这样的好处是：一是有效的滤除了电网的高次谐波，二是提高了电网的利用质量。因为当变频器四象限运行时，经VDC单元回馈的谐调电压波被滤波器（L-C-L）平定为标准正弦波然后再反馈给电网。

3.2 电压控制单元（VDC）

1）VDC是电压控制单元，主要由IGBT组成。它有两种工作状态，一是正力矩工作状态，将经过PIU滤波后的三相交流电源进行整流和控制，并根据预先设定的参数为VDI逆变器提供稳定的DC电源；二是负转矩工作状态，根据比较输入的电压数值、相序，把DC母线上过剩的电压经过逆变变成三相谐波，再经PIU单元调谐成标准的三相正弦波并回馈电网。

2）VDC单元的控制方式采用多点回馈的方式。通过检测输入回路的电压，根据实际检测到的输入电压数值来自动调整回馈点电压数值，直到在回馈的作用下输入电压数值上升到过压保护的数值为止。这种回馈方式保证了矿区电网有大的波动时系统也能安全工作。具体工作方式为：VDC在电网输入电压正常时根据原先设定的回馈工作点进行工作；当检测到输入电压上升导致原回馈点不能满足回馈要求时，系统将自动将回馈点向上调整到能满足回馈要求的回馈点。这样可以更有效的节约电能，降低成本。

3）VDC具有LINE CONNECTION TEST 自检自动保护功能。它能实时自动检测VDC和PIU之间的连线状态，并在检测过程中发生连线错误时会自动调整保护等级自动保护VDC，保证不会轻易损伤VDC及其它设备。在进入工作前VDC 还将实行AC LINE TUNING和DC BUS TUNING即检测交流回路和直流回路的阻抗值为准确稳定控制VDC的电流和DC BUS的电压值建立模型，从而保证了为VDI提供准确稳定的电源保证了VDI的稳定工作。

3.3 VDI矢量控制逆变单元

架空乘人装置中要做到安全、可靠、舒适、静止人员上下、防止越位等，就要求钢丝绳的运行稳定、速度均匀、制动可靠。

前面的直流电在逆变单元经过震荡电路变为交流，在经过波形处理，最终输出频率可调的交流电供给电机。

4 使用情况

1）安全性能高，故障率低，运行稳定。我矿2004年在主斜井安装一部变频控制的架空乘人装置，如今已安全运行10年。又在2013年在二采区安装了同样的矢量变频架空乘人装置。使用以来，运行正常，从未有重大故障，日常维护简单，乘坐舒适，受到广大职工好评。

2）节能降耗。由于采用回馈电路，工作中除去机械摩擦，电路损耗，发热等，其节能率高达85%。以我矿主井架空乘人装置为例，功率200KW，每天运行18小时，每月运行30天，其每月的节电率为：200×18×30×85%=91800kwh，以目前工业用电每千瓦时0.6元计算每月可节省用电开支91800×0.6=55080元，经济效益明显。

5 结论

随着科学技术的发展和生产技术的需求，变频技术在现代化大型煤矿的应用必然越来越广泛。在人员提升、物料提升运输中将有越来越多的变频设备，如索车、大型绞车、架空乘人装置等等。新技术的应用必将人们带来巨大的生产便利，同时也对人们的技术水平提出了更高的要求，同时也将对煤矿的开采和建设有着重大和深远影响。

【参考文献】

[1]牛东.PLC在普通吊椅索道中的应用[J].索道安全，2006 （3）

[2]饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007

[3]李华德.交流调速控制系统[M].北京：电子工业出版社，2003

[4]马小亮.大功率交―交变频交流调速及矢量控制[M].北京：机械工业出版社，1998

[5]范正翘.电力传动与自动控制系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003

【作者简介】

李现政（1983-），男，汉族。2005年毕业于青岛大学电气工程及其自动化专业。现在兖矿集团贵州能化黔西能源有限公司青龙矿从事机电技术工作，助理工程师。