摘要：變頻改造是礦井提升領域節能、安全技改的主要手段。本文分別對采用繞線式異步電機轉子串電阻調速方式和變頻調速方式的提升機系統的運行特性進行分析，結合開灤（集團）蔚州礦業公司南留莊煤礦提升機變頻改造的現場，介紹提升機系統變頻改造相關技術，以及HARSVERT-FVA系列能量回饋型高壓變頻器在礦井提升系統上的應用情況。
關鍵詞：礦井提升機、高壓變頻器、矢量控制、能量回饋

一、引言
　　在礦井的各動力設備中，提升機系統是最為重要、耗能最大的設備。提升機運行的可靠性直接影響礦井的產能和人員、設備升降井速度，直接關系到礦井的安全生產水平；同時提升機的調速方式也是對噸煤電耗水平影響最大的因素。
　　長期以來，礦用提升機普遍使用繞線式異步電機轉子串電阻的方法進行調速控制。該方法成本較低，但轉矩脈動大，電機電流大，能耗高，且轉子串電阻調速控制電路復雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，影響企業安全生產水平。隨著電力電子與電機控制技術的發展，采用變頻調速的方法可以從根本上解決上述問題。

二、繞線式異步電機轉子串電阻調速方式的運行特性分析
　　此方式通過切換交流接觸器或者可控硅，在電機的轉子回路串入不同阻值的電阻，起到調速運行的作用。根據實際工況不同，一般電阻分成4-8級，每級設有短接開關，如圖1所示（圖中為4級電阻調速系統）。

圖1：異步電機轉子串電阻調速系統電路圖

　　在電機啟動之初，所有短接開關處于分斷位置，所有電阻串聯入電機的轉子回路。當電機加速至一定轉速時，閉合最靠中性點側的短接開關（圖1中最下端開關），電機轉子所串電阻減少，隨著電機進一步加速，絞車司機依次閉合另外幾組短接開關，直至所有電阻被短接，電機運行至最高速。
　　電機減速時，先斷開靠近電機繞組的短接開關，而后隨著轉速的降低依次斷開另外幾組開關，直至所有電阻被串入轉子回路，進入爬行階段，絞車到位后啟動抱閘，同時斷開定子側高壓斷路器。
　　根據電機學原理，異步電機在轉子串聯不同數量的電阻情況下的輸出轉矩（即電磁轉矩）與轉速的關系曲線如圖2所示，圖中縱軸為電機的轉速與額定轉速之比，橫軸為電機的輸出轉矩與額定轉矩之比，圖2中的5條曲線由上至下依次是串聯0至4級電阻時電機的轉矩-轉速特性曲線。串聯的電阻越多，低速下的輸出轉矩越大，高速下的輸出轉矩越小。
　　電機在串聯不同電阻時的定子電流與轉速的關系曲線如圖3所示，電機從電網吸收的有功功率隨轉速的變化曲線如圖4所示。

圖2：轉子串不同電阻時電機輸出轉矩與轉速關系曲線

圖3：轉子串不同電阻時電機定子電流與轉速的關系曲線

圖4：轉子串不同電阻時電機功率與轉速的關系曲線

　　在加速過程中，一般采用轉矩最優的控制方式，即在轉矩-轉速特性中串不同電阻曲線的交叉點處切換短接開關，此方式下，電機在加速過程中能獲得最大的輸出轉矩，且開關動作前后電機的輸出轉矩連續變化。這一控制一般由絞車司機人工實現，也有系統用PLC自動控制完成。此控制方式下電機的轉矩-轉速曲線如圖5中黑色粗線所示，圖5中彩色細線與圖2相同；圖6為電機定子電流與轉速關系曲線，黑色粗線為上述開關切換控制方式下的實際曲線，彩色細線與圖3相同；圖7為電機從電網吸收的有功功率與轉速關系曲線，黑色粗線為上述開關切換控制方式下的實際曲線，彩色細線與圖4相同。
　　圖中不難看出，在上述控制方式下，電機的加速過程近似為恒轉矩加速過程，電機輸出轉矩為1.8-2.1倍額定轉矩；在加速過程中，提升機系統消耗的有功功率在2-2.2倍額定功率間變化，即使在低速時，由于串入電阻耗能巨大，電機雖然輸出功率不大，但其從電網吸收的有功功率仍為額定功率的2-2.2倍；圖9中，黑色粗線與圖8相同，為電機從電網吸收的有功功率隨轉速變化的曲線，藍色細線為電機輸出的軸功率與定轉子繞組損耗之和，二者之差為串聯電阻所消耗的功率。圖中不難看出，在高速段，由于串入的電阻較少，因此電阻上損耗所占比例不大，但在低速段，如電機的爬行階段和加速起步階段，電網提供的絕大部分功率被電阻所消耗，浪費了大量的能源。

圖5：轉矩最優控制方式下，轉子串電阻調速轉矩-轉速特性曲線

圖6：轉矩最優控制方式下，轉子串電阻調速定子電流-轉速特性曲線

圖7：轉矩最優控制方式下，轉子串電阻調速功率-轉速特性曲線

圖8：轉矩最優控制方式下，電機從電網吸收功率與必要功率隨轉速變化曲線

　　上述控制方式下，雖然電機能夠輸出最大的加速轉矩，但在加速過程中電機電流較大，約為2-3倍額定電流。因此在負載較輕時，有時為了降低加速時的電機電流，絞車司機會適當提高各開關動作時的電機轉速，在電流降至額定電流時切換短接開關，此時電機的輸出轉矩、定子電流和從電網吸收的有功功率隨速度變化的曲線如圖9-12所示。
　　圖中可以看出，這種控制方式下，中速以上加速過程電機電流有所減小，約為1-1.7倍額定電流，電機的輸出轉矩也有所降低，約為1-1.7倍額定轉矩，且脈動增加，開關動作前后輸出轉矩有大幅跳躍，電機消耗的功率有所下降，但由于加速轉矩較低，加速時間較長，實際加速過程所耗電能并未減少。由于加速轉矩較低，因而此控制方法不適用于重載提升場合。
與轉矩最優控制方式類似，在低速爬行階段和加速的初始階段，電網提供的電能的大部分由電阻消耗，電能浪費嚴重。

圖9：額定電流切換控制方式下，轉子串電阻調速轉矩-轉速特性曲線

圖10：額定電流切換控制方式下，轉子串電阻調速定子電流-轉速特性曲線

圖11：額定電流切換控制方式下，轉子串電阻調速功率-轉速特性曲線

圖12：額定電流切換控制方式下，電機從電網吸收功率與必要功率隨轉速變化曲線

三、變頻調速方式的運行特性分析
　　變頻調速的運行方式是指將電機的轉子繞組短接，通過變頻器內的電力電子器件將工頻電網50Hz的電壓轉換成其他頻率的電壓，加在電機的定子繞組上。通過調節變頻器輸出電壓的幅值、頻率和相位控制電機運行在期望的轉速上。其電路結構如圖13所示。

圖13：變頻調速方式系統接線圖

　　與轉子串電阻調速的方式相比，變頻調速具有電機電流小、電機工作平穩、轉矩脈動小、電機可控性高、節能等特點。
　　變頻調速按照控制方法主要有VVVF控制、滑差頻率控制、直接轉矩控制、矢量控制等，其中，矢量控制能夠通過對電機的建模運算，實現電機磁通和轉矩的解耦控制，具有最優的控制性能。本文所述HARSVERT-FVA系列高壓變頻器即采用此控制方法，其良好的控制性能，尤其適應礦井提升機負載的需要。
　　在矢量控制方式下，變頻器能夠根據測量到的電壓、電流信號，以及事先測得的電機參數，根據內建的電機模型，計算出電機的磁通位置、磁通幅值、輸出轉矩和電機轉速。而后根據該轉速與給定轉速的偏差，對輸出轉矩進行調節，如需要的輸出轉矩大于設定的“最大轉矩”，按照最大轉矩輸出。
　　在設定的“加速時間”充分短的時候，電機按照最大轉矩進行加速，設置“最大轉矩”為2倍額定轉矩時，額定負載下電機加速過程的轉矩，電機電流、電機功率隨轉速變化的曲線如圖14-16所示。此時，電機按照2倍額定轉矩加速，加速完成后，其輸出轉矩為實際負載轉矩，即1倍額定轉矩。

圖14：最大轉矩限制的矢量控制變頻調速方式下，電機的轉矩-轉速特性曲線

圖15：最大轉矩限制的矢量控制變頻調速方式下，電機的定子電流-轉速特性曲線

圖16：最大轉矩限制的矢量控制變頻調速方式下，電機的功率-轉速特性曲線

　　在實際使用中，由于提升機系統一般對于最大加速度有一定的限制，因此“加速時間”一般根據期望的加速度進行設置，按照該設置進行加速時，一般無需到達設定的最大轉矩，圖17-19為典型的加速時間設置情況下，負載為額定轉矩時加速過程的轉矩、電流、功率隨轉速變化曲線。在提升機啟動時，先啟動變頻器后松閘，此時電機施加最大轉矩；而后電機根據設定的加速曲線進行加速，此時的電機輸出轉矩由負載和設定的加速時間（加速度）所確定，約為1.3倍額定轉矩，其中負載轉矩為1倍額定轉矩，加速轉矩為0.3倍額定轉矩；隨著轉速的上升，物理系統的阻力有所增加，電機的輸出轉矩略有增加；到達給定轉速（額定轉速）后，電機停止加速，帶負載穩定運行，輸出轉矩與負載轉矩相同。

圖17：加速時間限制的矢量控制變頻調速方式下，電機的轉矩-轉速特性曲線

圖18：加速時間限制的矢量控制變頻調速方式下，電機的定子電流-轉速特性曲線

圖19：加速時間限制的矢量控制變頻調速方式下，電機的功率-轉速特性曲線

四、變頻調速方式與轉子串電阻方式的對比
　　與轉子串電阻調速方式相比，在相同的負載下，加速過程中變頻調速方式電機轉矩脈動更小，電機電流更小，低速下從電網吸收的功率更小。這就意味著變頻調速方式下，電機老化程度更低，加速更平穩，所乘人員舒適性更好，且具有顯著的節能效果。
　　圖20-22為兩種方式的對比曲線，其中，藍色粗線為變頻調速方式（加速時間限制方式），黑色細線為轉子串電阻調速方式（額定電流切換控制方式）。

圖20：兩種控制方式下，電機的轉矩-轉速特性對比曲線

圖21：兩種控制方式下，電機的定子電流-轉速特性對比曲線

圖22：兩種控制方式下，電機的功率-轉速特性對比曲線

五、運行現場情況簡介
1.現場提升機基本情況
　　運行現場位于開灤（集團）蔚州礦業公司南留莊煤礦。開灤享有“中國近代煤炭工業源頭”、“中國北方民族工業搖籃”的美譽。開灤（集團）有限責任公司的前身為“開平礦務局”，始建于1878年，迄今已有130年的歷史，是中國最古老的煤礦。2007年，開灤集團公司生產原煤突破2978.62萬噸，生產精煤754.88萬噸，營業收入突破150億元；2008年，開灤集團公司在全國500強企業排名中，名列291名，南留莊煤礦是其下屬的煤礦企業之一。
　　本次變頻改造的為主、副井提升機各1臺，均為豎井雙箕斗提升機，提升高度211米，最大運行速度3.27m/s，最小運行速度0.5m/s，配用電機為主井200kW/6kV，副井280kW/6kV，配用減速機減速比30倍，變頻改造前，使用轉子串電阻調速控制系統，調速電阻級數為8級。
　　圖23為提升機系統現場照片，圖24為提升系統原先所用調速電阻的照片。變頻改造前，提升機在啟動時電機振動較大，在低速爬行階段和加減速階段速度控制性能差，加減速過程轉矩脈動大、罐籠平穩性較差、纜繩擺幅較大，人員升降舒適性差；升降、加減速過程完全由絞車司機手動控制，控制不當易造成過放和過卷事故。由于提升機頻繁啟動和制動，在加減速過程中轉子所串電阻產生相當嚴重的能耗，再加上串電阻調速控制電路復雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，已經影響到了企業的生產效益。另外，串電阻調速系統還存在著占地面積大、發熱量高、噪聲大等缺點。

圖23：運行現場原先所用調速電阻

圖24：運行現場原先所用調速電阻

2.HARSVERT-FVA系列高壓變頻器基本情況
　　此次變頻改造選用2臺HARSVERT-FVA06/035高壓變頻器，額定電壓6kV，額定電流35A，額定功率320kW，額定容量400kVA。
　　HARSVERT-FVA系列高壓變頻器是北京利德華福電氣技術有限公司生產的新一代能量回饋型矢量控制高壓變頻調速系統，該系統首創無網側電抗器的四象限單元串聯多電平結構，通過無速度傳感器矢量控制算法對電機進行精確的控制。
　　利德華福成立于1998年，是一家年銷售收入8億元，正以年均增長率超過50%高速發展，并且擁有核心自主知識產權的高新技術企業，在國內高壓大功率變頻調速自動控制產品及技術解決方案等領域占據領先地位。自2000年研制成功國內第一臺具有自主知識產權的高壓大功率變頻調速系統以來，目前產品與服務行銷中國及歐洲、北美、南美、非洲、西亞、南亞、東南亞、澳洲等市場區域，自2004年起一直占據本領域內的技術、產品及市場領先地位。
　　HARSVERT-FVA系列能量回饋型矢量控制高壓變頻器采用單元串聯多電平的拓撲結構，由激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜和控制柜組成，其外觀如圖25所示，主回路結構如圖26所示。激磁涌流抑制柜內設有真空接觸器和限流電阻，限制變頻器高壓上電時的充電電流和激磁涌流不超過其額定電流；變壓器內裝有整流變壓器，將網側高壓變換為副邊的多組低壓，為功率柜中的功率單元（低壓交直交變流器）供電，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，各功率單元輸出串聯構成變頻器的高電壓輸出。變壓器柜和功率柜的拓撲結構如圖27所示。

圖25：HARSVERT-FVA系列高壓變頻器外觀

圖26：HARSVERT-FVA系列高壓變頻器結構

圖27：HARSVERT-FVA系列高壓變頻器主電路系統結構

圖28：HARSVERT-FVA系列高壓變頻器功率單元結構

圖29：6kV/5級功率單元串聯的HARSVERT-FVA系列高壓變頻器輸出線電壓波形

　　功率單元是整臺變頻器實現變壓變頻輸出的基本單元，每個功率單元都相當于一臺交直交電壓源型單相低壓變頻器。功率單元整流側用IGBT三相全橋可控整流，中間采用電解電容濾波和儲能，輸出側為4只IGBT組成的H橋，如圖28所示。每個功率單元內設DSP高速運算器，進行可控整流算法的運算和控制。由于采用可控整流技術，變頻器的輸入電流具有較高的功率因數（PF＞0.95）和較低的諧波含量（THD＜4%）。
　　變頻器主控系統通過光纖統一控制各功率單元的輸出側IGBT，使變頻器整機輸出疊加后的多電平的PWM，如圖29所示。該電壓具有很高的正弦度，諧波含量很低。
　　HARSVERT-FVA系列能量回饋高壓變頻器由于采用IGBT三相全橋可控整流，具有100%功率的能量回饋能力，在減速制動和下方重車時能夠將能量回饋至電網，共廠內其他設備使用，降低企業整體電耗水平，尤其適合礦井提升等四象限運行工況需要。
　　變頻器采用先進的無速度傳感器矢量控制算法，對電機的磁通和轉矩進行精確的解耦控制，能夠實現零速（抱閘狀態）200%轉矩啟動、頻繁快速起停、快速加速、快速制動等功能。
　　HARSVERT-FVA系列高壓變頻器對礦用提升機負載進行了特殊設計，其輸出過載能力達200%/60秒，完全滿足現場應用的需要。
3.現場變頻改造情況
　　現場的2臺提升機于2009年1月20日開始進行自動化變頻改造，1月29日試運行，2月1日正式投運，截至本文發稿時，已連續運行2個月無故障。
　　變頻改造后，設備運行曲線如圖30所示，其中，紅色曲線為井筒深度，黑色曲線為電機定子電流，藍色曲線為測速發電機實測電機轉速，綠色曲線為碼盤測量的電機轉速，由于碼盤安裝于減速箱低速端，因此其測量結果誤差較大。
　　變頻改造后，實現了提升機加減速過程的平穩控制，運行過程纜繩擺幅明顯減小，人員升降舒適性明顯提高，電動機啟動電流與啟動時振動顯著降低；自動化電控系統很好的防止提升機過卷和過放事故發生；省去了轉子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節能效果；克服了接觸器、電阻器繞線電機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發生率，給企業帶來了實際的利益，串電阻調速系統占地面積大、發熱量高、噪聲大等問題也得到了解決。

四、總結
　　本文根據電機學模型，著重分析了繞線式異步電機在轉子串電阻調速方式和矢量控制變頻調速方式下的運行特性，分析表明，在相同的負載下，與轉子串電阻調速相比，矢量控制變頻調速方式下電機轉矩脈動小，電機電流小，低速段能耗低。變頻改造能夠顯著降低設備振動、磨損，具有很大的節能效果。
　　2臺HARSVERT-FVA系列能量回饋高壓變頻器在開灤（集團）蔚州礦業公司南留莊礦提升機系統的應用證明了，對提升機系統進行變頻改造可顯著提高運行平穩性、人員升降的舒適性，降低纜繩擺動幅度，降低電機啟動電流，提高系統的整體可靠性、安全性，提高系統效率。