四象限高壓變頻
應用于礦井提升機的
低速直聯同步電機專用變頻器

一、概述：
礦井提升機是礦山大型固定設備之一，是井下與地面的主要運輸工具。礦井提升機主要擔負一個礦井所有的礦物(煤，礦石)提升，升降人員，運輸設備，下放材料等。
礦井提升系統具有環節多、控制復雜、運行速度快、慣性質量大、運行特性復雜的特點，且工作狀況經常交替轉換。
所以提升機調速控制系統的研究一直是一個備受關注的重大課題。電氣控制方式在很大程度上決定了提升機能否實現平穩、安全、可靠地起制動運行，避免
了嚴重的機械磨損，防止較大的機械沖擊，減少機械部分維修的工作量，延長提升機械的使用壽命。隨著礦井提升系統自動化，改善提升的性能，以及提高提升設備的提升能力等的要求，對電氣傳動方式提出了更高的要求。對礦井提升機電氣傳動系統的要求是：有良好的調速性能，調速精度高，四象限運行，能快速進行正、反轉運行，動態響應速度快，有準確的制動和定位功能，可靠性要求高等。

典型的提升機速度變化曲線
 
啟動：提升機開機提升；
升速：速度上升為設定速度；
勻速：以設定速度勻速提升，這段時間最長；
減速：快到達井口時減速，此時有較大的能量回饋
低速爬行：以低速爬行，以便在規定的位置停車；
停止：提升機停止在規定位置。
目前，我國地下礦山礦井提升機的電氣傳動系統主要有：交流繞線式異步電動機轉子切換電阻調速的交流電氣傳動系統，晶閘管整流器—直流電動機傳動控制系統和異步電動機變頻調速控制系統。
以上傳動系統各有優勢與不足，厚德慧福在基于國際潮流與技術進步的基礎上，在國內率先推出低速直聯交流同步電機專用變頻調速裝置，完美地繼承以往電氣傳動系統的優點并彌補了它們的不足
本方案對現有的提升機電氣傳動方式進行了簡介與對比，并詳細介紹低速直聯交流同步電機專用變頻調速裝置。
二、提升機調速方式比較
2.1 調速方式分類
提升機調速方式主要分為三大類：
（1） 繞線式異步電機轉子切換電阻調速；
（2） 基于晶閘管整流的直流電機調速；
（3） 交流異步電機與低速直聯交流同步電機變頻調速。
2.2 各種方式簡介
2.2.1繞線式異步電機轉子切換電阻調速
（1） 系統結構：


繞線式異步電機轉子切換電阻調速結構
系統由繞線式異步電機、電阻與短接開關組成。
（1） 特點
主要優點是結構簡單，應用普遍，系統成本低；
主要的缺陷是調速系統屬于有級調速，速度不能平滑的控制；能量不能回饋電網，消耗在電阻上；電機的機械特性偏軟；調速時對電網有沖擊，諧波污染大；長期運行的實際運行成本高。
2.2.2基于晶閘管整流的直流電機調速
（1）系統結構


基于晶閘管整流的直流電機調速結構
系統由晶閘管整流器，直流電機及其勵磁系統組成；
（2）特點
主要優點是直流電機調速精確；
主要的缺陷是晶閘管整流器對電網的諧波污染大，能量不能回饋電網；直流電機受結構的限制，容量有限制，只適合小型的提升機系統。
2.2.3變頻調速
（1）系統結構

異步電機變頻調速系統由變頻器、異步電機和減速機組成。
低速直聯交流同步電機變頻調速系統由變頻器、同步電機和勵磁系統組成。
（2）特點
異步電機變頻調速系統主要優點是直流電機調速比較精確，調速反應快，對電網沖擊小，諧波污染小；
主要的缺陷是異步電機有轉差，調速精度比直流電機與交流同步電機低；與提升機系統連接時需要減速機，有一定附加損耗。
低速直聯交流同步電機變頻調速系統主要優點調速精確，附加損耗小，對電網沖擊小，諧波污染小；
主要的缺陷是需要單獨的勵磁系統。
2.3調速方式對比表


三、低速直聯交流同步電機變頻調速系統
3.1 系統結構
    系統由變頻器、勵磁系統、監控系統、保護系統、冷卻系統、配電系統等組成。



系統整體框圖
藍色虛線框內為厚德慧福供貨范圍
QF為電網原有的斷路器；
變頻器為四象限型式，用來拖動同步電動機，并可將提升機的制動能量反饋回電網；
勵磁系統、監控系統、保護系統、冷卻系統通過硬接線和通訊的方式與變頻器相連。
3.2 關鍵技術
3.2.1閉環矢量控制
    根據磁場定向原理分別對電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，實現高精度控制，高可靠控制。
3.2.2超低速運行
    電機轉速為[0-1.2]r/min、變頻器輸出頻率為[0-0.01]Hz 。
如以V/f控制不能到達的速度區間定，則寬至電機轉速為[0-6]r/min、變頻器

輸出頻率為[0-0.5]Hz，全速度范圍調速。
3.2.3空中懸停
    任意井深處，完全解除機械制動力，罐籠在空中靜止不動。
3.2.4堵轉
    給定速度大于零，施加完全的機械制動力，電機隨輸出額定力矩，罐籠卻靜止，在解除機械制動力后，可以迅速升速到指定轉速。
3.2.5恒減速制動
    使減速和停車過程完全精確控制，避免對變頻器和電網的沖擊。
3.2.6低速直聯同步機勵磁的自動調節
    保證電機無功容量最小，避免同步電動機失步。
 
3.3 技術參數




四、變頻器結構與特點
4.1 整體結構
由變壓器、功率單元、控制部分組成，主電路采用若干個低壓功率單元串聯疊加方式實現高壓輸出，網側接入電壓為6kV。
 
電網電壓經過二次側多重化的隔離變壓器移相降壓后向功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交—直—交PWM 電源型逆變器結構。將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y 聯結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給三相負載。各功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組間相互絕緣。



拓撲結構圖
如上圖所示，每相6個功率單元串聯，每個功率單元的額定輸入電壓為550V，經電壓泵升，單元的輸出電壓為640V，串聯后的輸出線電壓為0－6.6kV，頻率0－60Hz連續輸出。
每相的調制：
根據輸出要求設定調制波，同一相的各個單元的調制波相同，各個單元的載波依次相差一個相角，如下圖所示，各相的調制波相差120°。如需改變輸出，只需改變正弦調制波的周期以及幅值大小即可。



此技術優點是每個變頻功率單元是完全成熟的技術，功率單元的串聯個數決定變頻電源的輸出電壓。
4.2 整流變壓器
干式移相變壓器導體采用耐熱指數220℃的NOMEX紙絕緣的優質無氧銅電磁線，為了提高線圈的抗沖擊能力，高壓繞組為翻餅式線圈制成的餅式繞組繞制工藝，然后經過真空干燥和真空浸漆處理，最終形成一個具有全封閉漆層的繞組結構。這種絕緣漆不但具有高強度的抗短路性能，而且“三防”性能極佳。鐵芯采用高導磁冷軋電工鋼帶，450全斜接縫，沖孔結構，整體性強，損耗低，鐵芯表面經耐高溫樹脂粘結，并經防潮防腐處理，噪音較低。
變壓器副邊繞組實現相互隔離，變壓器的原邊接入高壓母線，副邊移相后向功率單元提供工作所需三相交流電源，副邊繞組的相互獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，具有極高的可靠性和安全性。副邊繞組采用延邊三角形聯結，形成多脈波的整流電路結構。網側輸入電流波形接近正弦波，大大改善網側波形，在負載情況下，網側功率因數高達0.95以上。


干式移相整流變壓器
4.3 功率單元
四象限功率單元
四象限功率單元為交直交變換結構，三相可控整流、單相逆變，結構如下圖所示，能量實現雙向流通。



四象限功率單元結構
 
4.4 全數字控制系統
控制系統是由厚德慧福自主研發的全數字信號控制裝置，內置總線板、CPU板、PWM板、數字板、模擬板、通訊板以及顯示板。通過編程器將符合用戶現場工況的控制程序下載至控制系統后，控制系統生成多電平的PWM控制波形、

現快速保護及網絡通訊等控制功能。總線板主要功能為整個控制機的電源供給、各板數據傳輸及內、外部數據交換。CPU板、數字板、模擬板主要用于用戶現場各種信號的處理,變頻電源系統運行和故障的連鎖。PWM板主要用于控制機與各功率單元板間的光纖通訊連接。通訊板主要用于厚德慧福電平變頻電源與外界的通訊連接，可以和用戶現場靈活接口，滿足用戶的特殊要求。顯示板上的顯示屏提供友好的監控和操作界面，實時顯示變頻電源系統各組成部分的工作狀態，使用戶能夠直觀而準確的了解系統的工作情況。厚德慧福電平變頻電源可以實現遠程監控和網絡化控制。



4.5 執行標準




6kV/2300kVA，副井提升機


10kV/1120kVA，皮帶機