高压变频技术在矿山机电设备中的应用举例

摘要：本文首先对我国煤矿机电设备特点及运行现状进行了简单的分析，然后指出了当前煤矿机电设备主要维护方式，在此基础上，对煤矿机电设备维护要点和更新改造技术进行了较为详细的探讨。高压变频技术能有效的节省电能，提高煤矿机电设备的使用寿命，本文分析了高压变频技术在煤矿机电设备运用的重要性，同时，论述了高压变频器合理选型的方法及应用举例。

关键词：矿山机电；设备维修；高压变频

机电设备的技术改造。技术改造是对机电设备的结构的局部改变，从而创新设备的性能，提高生产效率。技术改造是生产发展和科技进步的客观要求，根据当前我国煤炭企业机电设备普遍老化、科技含量低，进行技术改造要对项目进行全而技术、安全、经济、环境等方而的比较和论证，进行可能性调研，从中选择最佳方案。

在煤矿企业中，高电压大容量电动机的应用非常广泛，如风机、水泵、空气压缩机和矿井提升机等。其消耗的电能约占煤矿总电能的 40% 以上，耗电的有效功率仅占 30%～40%，而 60%～70% 的电能都消耗在调节风门、阀门及管网的压力降上，因工程设计裕量大造成“大马拉小车”现象，因此实际总效率很低。这些设备往往因其负载的不断变化而经常需要调速，但目前我国高压大容量电动机的调速和启动方法仍很落后，这不但浪费了大量电能，而且还使设备的寿命缩短。运用高压变频技术对煤矿机电设备进行技术改造，能够很好的解决这一问题。

1 高压变频技术原理

高压变频技术原理：通常我们把用来驱动1kV 以上的中、大容量交流电动机的变频器称为高压变频器，高压变频器类型和拓扑结构比较多，但原理和功能大同小异。它运用了电压叠加技术，输出电压由若干个低压单元串联而成，每个单元相当于一个常压变频器，完全利用了常用变频器的成熟技术和功率器件。各个功率单元由隔离变压器的二次线圈分别供电，可以很方便地得到不同电压等级的输出，而不受功率器件耐压的限制。以下就交直交变频的原理加以整理描述。

交直交变频的原理

交直交变频器它由三部分组成，直流、斩波、逆变，其基本结构如下所示：工作过程是先将三相（或单相）不引调工频电源经过整流桥整流成直流电，再经过逆变桥把直流点逆变成频率任意引调的交流电。

工作原理：

1） 交-直交换如图所示，图中（VB1--VB6）为交直变换全波整流电路，在中小容量变频器中，整流器采用不可控整流二极管或二极管模块。

2） 图中（CF1，CF2）为滤波电容器，由于交流电被整流出的直流电中会有交流含量，为了获的平稳的直流电而设置滤波电容。

3） 因电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组CF1 和CF2 的电容量常不完全相等，这将导致各自的电压将不相等，在CF1，CF2，旁各并联一组阻值相等的均压电阻RC1，RC2。

4） RH，RL电源指示电路，除此之外，HL也具有提示保护的作用，当变频器切断电源后，由于CF的容量较大，导致CF的电压高，若不完全放电，对人身安全构成威胁。

5） SL，RL为限流电路，当变频器刚接入电源的瞬间，将有一个很大的冲击电流经电流整流桥到滤波电容， 使整流桥可能因此收到损坏，限流电阻RL就是为了削弱该冲击电流而串联在整流桥和滤波电容之间。限流电阻常接在电路中会影响到直流电压U，也增大了电路损耗，所以当U增大到一定程度时，会短路开关SL接通切除RL。

2 高压变频器的组成单元

变频器本身由变压器柜、功率柜、控制柜三部分组成。三相高压电经高压开关柜进入，经输入降压、移相给功率单元柜内的功率单元供电，功率单元分为三组，一组为一相，每相的功率单元的输出首尾相串。主控制柜中的控制单元通过光纤时对功率柜中的每一功率单元进行整流、逆变控制与检测，这样根据实际需要通过操作界面进行频率的给定，控制单元把控制信息发送到功率单元进行相应得整流、逆变调整，输出满足负荷需求的电压等级。

2.1 移相式变压器

移相变压器的副边绕组分为三组，构成X脉冲整流方式；这种多极移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使负载下的网侧功率因数接近1。另外，由于副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，这样大大提高了可靠性。

2.2 智能化功率单元

所有的功率模块均为智能化设计具有强大的自诊断指导能力，一旦有故障发生时，功率模块将故障信息迅速返回到主控单元中，主控单元及时将主要功率元件IGBT关断，保护主电路；同时在中文人机界面上精确定位显示故障位置、类别。在设计时已将一定功率范围内的单元模块进行了标准化考虑，以此保证了单元模块在结构、功能上的一致性。当模块出现故障时，在得到报警器报警通知后，可在几分钟内更换同等功能的备用模块，减少停机时间。

6kV电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直流PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串联起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。6kV电压等级的高压变频器，每相由六个额定电压为600V的功率单元串联而成，输出相电压最高可达3464V，线电压达6000V左右。改变每相功率单元的串联个数或功率单元的输出电压等级，就可以实现不同电压等级的高压输出。每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。6kV电压等级的变频器，给18个功率单元供电的18个二次绕组每三个一组，分为6个不同的相位组，互差10度电角度，形成36脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波，这种等值裂相供电方式使总的谐波电流失真大为减少，变频器输入的功率因数可达到0.95以上。

2.3 双DSP控制系统

主控器的核心为双DSP的CPU单元，使指令能在纳秒级完成。这样CPU单元可以很快的根据操作命令、给定信号及其它输入信号，计算出控制信息及状态信息，快速的完成对功率单元的监控。

3 高压变频器的合理选择选型办法

按功率选型

从效率的角度出发来讲，在实际选用变频器功率时应注意如下几点：（1）选变频器功率值与电动机功率值相同时最合适，此时有利于变频器在高效率状态下运转；（2）在变频器功率分级与电动机功率分级不相同时，变频器的功率应尽可能地接近电动机的功率，且应略大于电动机功率；（3）属于频繁启动、制动工作状态或处于重载启动且频繁的工作的电动机，可选用功率大一级的变频器，以利于长期、安全地运行；（4）经过测试，电动机的实际功率确实有富裕，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但是应注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护的动作；（5）当变频器与电动机的功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以达到较好的节能效果。

按控制方式选型

通用高压变频器和异步电动机构成的变频调速控制系统，主要有开环控制和闭环控制方式。开环控制方式，它一般采用普通功能的U/f 控制和无速度传感器矢量控制通用高压变频器。开环控制方案结构简单、运行可靠，但是调速精度和动态响应特性不高，尤其是在低速区域显得比较突出，只适用一般精度要求的场合。闭环控制方式，它一般采用带PID 控制器的U/f 控制通用变频器或有速度传感器矢量控制通用高压变频器组成，适用于温度、压力、流量、速度、张力、位置、pH 值等过程参数控制的场合。采用有速度传感器矢量控制通用变频器需要在异步电动机上安装一个速度传感器或编码器，其输出量输入到变频器中构成闭环系统。这种控制方式也是一种比较理想的控制方式，其调速范围可达到l：l000 甚至更高，而且还可以精确地进行转矩控制，系统的动态响应快、性能好，比较适用于特殊精度要求的场合。

按负载类型选型

高压变频器负载的类型不同，其转矩与转速的关系也不同，所以选择通用高压变频器时应根据负载特性来正确的选择。就生产机械的特性来讲，通常分为恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵类降转矩负载。恒转矩负载特性的通用变频器可以用于风机、水泵类负载，而降转矩负载特性的变频器就不能用于恒转矩负载特性的负载。对于恒功率负载特性是依靠U/f 控制方式来实现的，并没有恒功率负载的变频器。但是，有些通用型变频器却适用于各种负载。

4 合理的高压变频方式

高压变频技术由于现有的电力电子器件耐压不足，所以每台产品均需要使用大量的电力电子器件。这些器件组合的多样性，使得高压变频电路组合也很多，当前常用的高压变频器主要有以下几类技术方案：

（1） 高低高方式

即变频器为低压变频器，采用输入降压变压器，先把电网电压降低，然后采用1 台低压变频器实现变频；对于电机，则有2种办法：①改用低压电机；②仍采用原来的高压电机，需要在变频器和电机之间再增加1台升压变压器，即高-低-高变频方式。这种做法由于采用低压变频器，容量也比较小，对电网侧的谐波较大。

（2） 三电平电压型高压变频调速方式

三电平电压源型高压变频技术通过独特的二极管钳位（ 或者其他的钳位）方法，可以使系统的输出电压增加一个电平，与两电平相比较，这种方式的相电压可以有3个电平输出，故称为三电平。同时每个电力电子器件所承受的耐压只有直流母线电压的一半，所以采用这种方式，可以使电力电子器件的耐压要求降低一半， 当采用一些高压的全控型器件，如高压IGBT、IGCT、IECT、GTO 晶闸管时， 可以直接实现高压输出。由于控制上难度较大，这种方法目前应用比较少，技术尚不成熟，所以不采用。

（3）功率单元串联式多电平高压变频方式

功率单元串联式多电平高压变频产品是在输入端设置1 台输入隔离变压器， 将输入高压交流电变成多组低压交流电，每组低压交流电分别输入到1个功率单元，经整流滤波为直流电后，再经逆变成为交流电，各功率单元的交流信号在逆变侧串联成为高压交流输出供给高压电动机。为了减少输入谐波，变压器的每个二次绕组的相位1次错开1个角度，形成多脉冲、多重化整流方式。其逆变输出采用多重PWM方式，输出谐波非常小。这种方式采用低压器件实现高压变频输出，器件无需串联，输入输出谐波非常小，是一种成熟稳定的高压变频技术。

5 针对某矿高压变频技术在提升级车中的应用举例

电阻调速属有级调速，开环控制，控制调速单一，副井绞车下放期间速度控制较困难，需要投入串电阻和动力制动相互配合，对绞车司机技能经验要求高，存在安全隐患；人车下放运行时处于能耗制动状态，存在节能降耗的空间。为此矿井固定绞车进行了技术改造，使用HFGP-H-06/077高压转子变频系统，实现绞车工频控制与四象限高压变频系统的相互切换控制。利用RS232 通讯接口与副井绞车控制板进行数据交换，传输四象限变频器的各类参数及状态和主控台PLC 控制系统组网，实现副井绞车的自动化控制。

（1）实现绞车安全回路双线制保留原八级串电阻调速系统及工频控制系统， 增加一套变频器控制系统。安装一台工、变频切换柜实现工、变频高压供电切换，并同时切换转子回路，当绞车变频运行时，投入转子回路，实现转子回路闭环控制；绞车工频运行时断开转子回路， 串入八级电阻调速系统， 保证绞车单回路故障时控制系统能够相互备用。

（2）实现绞车闭环控制为确保变频运行期间速度与频率同步，保留原工频轴编码器，在主电机输出轴侧新装一个轴编码器，编码器输出脉冲与转速成正比，通过比对显示提升的速度和深度，利用PLC 控制技术对2 套控制系统及安全保护进行闭环控制，当2 个编码器输出脉冲不一致时，可以起到保护作用，对操作台、操作按钮及外部接线不再做变动。

（3）实现绞车各类安全保护利用微电子触摸屏，实现绞车运行各参数的显示，并显示提升力矩图，方便工作人员及时发现问题。控制台PLC 检测并显示绞车运行状况，绞车控制具有手动、半自动、检修运行及应急等操作方式。

（4）达到节能降耗效果。功率单元通过光纤接收信号，采用矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT 的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。在绞车电动机为制动运行时，当电容器直流电压超过有源逆变启动的电压时，电源将开启有源逆变， 将电机和负荷的机械能转化为电能，实现再生反馈制动，节能效果明显。

变频调速装置工作性能稳定、可靠，系统保护齐全，灵敏度高，能有效消除电气及机械冲击。使用变频调速装置后，有效防止安全回路突发性断电而使绞车出现紧急制动，使运行中的绞车钢丝绳受到冲击发生跑车断绳事故，安全效果显著。该改造技术科技含量高，适用于我国矿山企业的通风机、水泵、绞车等设备，在经济和社会效益方面具有广泛推广应用价值。

6 结语

在煤矿企业中， 高电压大容量电动机的应用非常广泛， 这些设备往往因其负载的不断变化而经常需要调速，否则不但浪费了大量电能，而且还使设备的寿命缩短。为了全面提高煤矿井下机电设备的维修管理水平，以保证煤矿企业的大力发展需要，根据煤矿的生产特点，并结合现代化机电设备维修管理理论基础和维修、维护技术的发展趋势，大力发展采用高电压、大功率、多点驱动变频调速技术，从而使煤矿机电设备长期处于良好的运行状态和技术状态， 从而为煤矿安全生产的有序、正常进行和煤矿企业生产成本的降低、经济效益的提高提供有力的保障和坚实的后盾。

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个人简介：

王铭，吉林四平人，助理工程师，2009年毕业于河北工程大学，现就职于淮南矿业集团新庄孜矿保运工区，任职技术员