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太平煤矿副井绞车高压变频控制的改造提升机是矿井的关键和重大安全设备之一，广泛用于煤炭、有色金属、黑色金属、非金属、化工等矿山的竖井、斜井的提升系统，用作提升矿物和物料、设备及运送人员等，是矿井系统的咽喉。在整个生产过程中，占有非常重要的地位，它不仅关系到矿井的正常安全生产和生产效率，而且直接影响上下井人员的生命财产安全，因此，它的电气传动及控制装置一直是各国传动界的一个重要研究领域。现在大部分矿井的控制系统性能差，属有级调速型，且低速转矩小，转差功率大，启动电流和换挡电流冲击大；中高速运行振动大，制动不安全、不可靠，对再生能量处理不力，调速时大量的电能消耗在电阻上，不但浪费严重，也造成工作环境的恶劣，空间噪声大，故障率高。1太平煤矿副井现状：太平煤矿矿副井提升电控系统采用交流绕线式电机转子串电阻调速，主要由两部分组成，一部分是JTDK-ZN型交流提升电控系统；另一部分CC5—150N/63型高压低频换向装置。整个控制系统的性能差，属有级调速型，不能满足提升安全运行的需要。它低速转矩小，转差功率大，启动电流和换档电流冲击大，中高速运行振动大，制动不安全、不可靠。具体还存在下列问题：①YR630―10型拖动电动机，功率360KW、593r/min、减速器传动比11.5、滚筒半径1.5m、提升高度234.8m。根据《煤矿安全规程》第424规定立井罐笼升最大提升速度不得超过7.66m/s。实际提升速度v=2πr×593÷60÷11.5=2×3.14×1.5×593÷60÷11.5=8.1s可见是超速状态，不符合规定。②从等速段过渡到减速段的切换中出现失控区，易造成减速段超速。③调速性能差，机械冲击大，运行不稳定，报警、故障指示不齐全。④CC5—150N/63型高压低频换向装置存在缺陷:服务年限长，机构老化，可靠性差。因结构不合理常造成弧光短路掉电，冲击供电网络，损坏电气设备；噪音大，能耗高；维护量大、点多，费用高。年所消耗材料费用达到数万元。⑤原ZD120型减速器为人字形齿轮，配用两台电动机。一台工作，一台备用。故障时电路切换比较繁琐，必须将运行电机的定子、转子电缆拆除，更换备用电机的定子、转子电缆，才能完成切换。增加了维护量，延长了故障的处理时间。2改造方案：根据前述分析，采用高压变频调速电控系统，设定等速段频率为47.2Hz，以保证等速度时不超标。3高压变频器发展现状及发展趋势：通常,我们把用来驱动1kV以上交流电动机的中、大容量变频器称为高压变频器。按照国际惯例和我国国家标准,当供电电压大于或等于10kV时称高压,小于10kV时称中压。因此,相应额定电压1～10kV的变频器应分别称为中压变频器和高压变频器。但考虑到在这一电压范围内的变频器有着共同的特征,且我们习惯上也把额定电压为3kV或6kV的电动机称为“高压电机”,因此,为简化叙述起见,本文也称之为“高压变频器”。20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代。最初的交流变频调速理论诞生于20世纪20年代,直到60年代,由于电力电子器件的发展,才促进了变频调速技术向实用方向发展。70年代席卷工业发达国家的石油危机,促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频器,使变频调速技术有了很大发展并得到推广应用。80年代,变频调速已产品化,性能也不断提高,发挥了交流调速的优越性,广泛地应用于工业各部门,并且部分取代了直流调速。进入90年代,由于新型电力电子器件如IGBT(绝缘栅双极型晶体管InsolatedGateBipolarTransistor)、IGCT(集成门极换流型晶闸管IntegratedGateCommutatedThyristor)等的发展及性能的提高、计算机技术的发展,如由16位机发展到32位机以及DSP(数字信号处理器DigitalSignalProcessor)的诞生和发展(如磁场定向矢量控制、直接转矩控制)等原因,极大地提高了变频调速的技术性能,促进了变频调速技术的发展,使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其它常规交流调速方式,其性能指标亦已超过了直流调速系统,达到取代直流调速系统的地步。目前,交流变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎,在电力、轧钢、造纸、化工、水泥、煤炭、纺织、铁路、食品、船舶、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术的发展应用中无不看到变频调速技术的踪影,变频调速技术取得了显著的经济效益。上世纪未以前,高压大功率变频器都采用国外进口品牌。如美国洛克韦尔(AB)公司的PowerFlexTM7000高压变频器,是采用SGCT功率器件串联的交一直一交电流源型变频器,与电动机的特性有关,调试比较困难;并且dudt较大,对电机的绝缘影响较大。是进入我国火电厂节能改造工程最早的产品。美国罗宾康(ROBICON)公司的单元串联多电平变频器,采用低压IGBT功率器件,号称完美无谐波变频器。也是进入我国较早,且使用最多的产品。它的优点是电压电流波形好,谐波含量小,对电动机影较小。国外产品的共性是质量好,可靠性高,但价格也很高,且对我国电网的适应能力差,用户界面差(未汉化),售后服务响应差。备品备件供应差,且价格昂贵。以上因素给国内用户带来很大的不便。国产品牌在可靠性和生产工艺上正在迎头赶上,其最大的优势是适合中国国情和用户的需要,可以进行特殊设计,用户界面友好,操作方便,价格便宜。最主要的是良好的售前售后服务和备品备件的提供,以及操作维护人员的培训工作,更是国外品牌的产品所无法比拟的。在上世纪未,用户是唯进口品牌是论,根本不考虑国产品牌,而现在情况正好反过来了,许多用户主动要求选用国产品牌,而不要进口品牌。国外的高压变频器生产公司为了占领中国市场,也都纷纷在国内设立组装厂,象进线变压器等也由国内配套厂提供,产品的设计也越来越适应中国用户的要求,价格也有所下降。国内的产品大多数采用单元串联多电平电路,也有少数采用三电平电路和功率器件直接串联二电平电路的。对于我国目前以节能为目的的用户来说,单元串联多电平电路,在性能上还是占有一定优势的。随着使用领域的扩大,还有待于开发出性能更好的产品来。为保证副井提升系统的安全运转，提高运行稳定性、可靠性尤为重要。广泛收集这类信息资料，并组织到外地考察、调研、学习。对外地应用高压变频调速电控设备运行情况考察，观察应用效果也很好，但仍存在一些弊端。通过改进局部控制系统设计，优化系统组织，形成了自己独特设计方案。现在应用焦作华飞电子电器工业有限公司、北京合康亿盛公司合作生产的HIVERT-YVF06/077型矿井提升机四象限高压变频调速装置，作为本矿副井绞车的主调速系统，将原系统保留，作后备保护设施。两套电控系统互相备用，可互为切换；两台电动机互相备用，互为切换。任何一套系统处于故障状态时，都不会影响副井正常运行，保障有充足、有效的提升时间。4控制原理与技术指标随着变频调速技术的发展，交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机中应用。改后系统工作原理如下：4.1矢量控制原理HIVERT-YVF采用转子带速度反馈的矢量控制技术。在转子磁场定位坐标下电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变，控制转矩电流也就控制电机转矩。电机转速采用闭环。实际运行中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流IT。经过矢量变换将IT、IM变换为电机三项给定电流Ia、Ib、Ic，他们与电机运行电流相比较生成三项驱动信号。其控制原理见如图1所示。图1矢量控制原理近年来高性能异步电机调速系统得到广泛的应用，而速度传感器的安装、维护以及低速性能等方面的问题，影响了异步电机调速系统的简便性、廉价性和可靠性。无速度传感器异步电机的控制已越来越受到人们的关注和重视。无速度传感器矢量控制变频器既具有矢量控制高性能的优点，又具有通用变频器没有速度传感器的长处，但是，在进行矢量控制时如何获得速度信号是无速度传感器矢量控制的技术关键。无速度传感器控制系统获得速度信号的方法是用直接计算、参数辩识、状态估计、间接测量等手段，根据电机定子较易测量的定子电压、电流计算出与速度有关的量，从而得到转子速度，并将其用于速度反馈系统之中。常用的方法有：利用电机的基本方程式（静态和动态）导出速度的方程式进行计算。根据模型参考自适应控制的理论，选择合适的参考模型和可调整模型，利用自适应算法辩识出速度，利用电机的齿谐波电势计算速度等。从1983年提出无速度传感器矢量控制策略以来，一直受到学术界和产业界的高度重视，日立、安川电机等公司于1987年分别发表了研究成果，并相继推出了产品。目前，无速度传感器矢量控制变频器的调速范围为1∶50左右，个别厂商有1∶75甚至更高的产品。4.2主回路HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6kV、10kV，而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。HIVERT变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。主隔离变压器有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边为Y型接法，直接与高压相接。组数量依变频器电压等级及结构而定，6kV系列有18个单元，均为延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，消除了大部分由单个功率单元引起的谐波电流。HIVERT变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准5%的要求，能保持接近1的输入功率因数。输入电流峰值120A，接近完美的正弦波。变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。如额定输出580VAC功率单元六个串联时产生3450V相电压，见表1。表1：HIVERT变频器功率单元配置相输出Y型接法，中性点悬浮，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。6kV六单元变频器输出的Uab线电压，峰值电压为8.5kV。因为电机电感的滤波效果，输出电流波形更优于电压波形。输出电流Ia，峰值电流130A。电压等级数量的增加，大大改善了变频器的输出性能，输出波形几乎接近正玄波4.3功率单元每个功率单元结构上完全一致，可以互换，HIVERT-YVF系列产品具备100%定额功率的能量回馈能力，功率单元原理见图2。功率单元具有有源逆变能量回馈功能。当电机处于制动状态，电容器上的直流电压达到有源逆变起动的门槛电压时，电源自动起动有源逆变，将电机及其负载的机械能转化为电能，回馈到电网中去。功率单元利用IGBT进行同步整流，同步整流控制器实时检测单元电网输入电压，利用锁相控制技术得到电网输入电压相位，控制整流逆变开关管Q1～Q6所构成的相位与电网电压的相位差，便可控制电功率在电网与功率单元之间的流向。逆变相位超前，功率单元将电能回馈给电网，反之则电功率由电网注入功率单元。电功率大小与相位差成正比。电功率的大小及流向由单元电压决定。就同步整流而言，整流侧相当于一个稳压电源，与电功率大小及方向相对应的电网形成逆变相位差，单元电压与单元整定值之间的偏差通过PID调节生成。单元逆变输出由Q7～Q10组成，采用矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q7～Q10IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q7和Q10导通时，输出电压状态为1；当Q8和Q9导通时，输出电压状态为-1；当Q7和Q9或者Q8和Q10导通时，输出电压状态为0。。图2单元结构图4.4控制系统控制系统由控制器、IO板和人机界面组成。控制器由三块光纤板、一块信号板、一块主控板和一块电源板组成。光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制（PWM）信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。信号板采集变频器的输出电压、电流信号和光电编码盘信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护，以及提供给主