寧連旭

（山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 高平 048006）

0 引言

目前，我國(guó)的煤礦開采正在向著智能化、無(wú)人開采的方向發(fā)展，立井提升機(jī)是煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分，它的工作品質(zhì)和工作效率是礦山智能化、無(wú)人化礦山的重要保證。在21 世紀(jì)，世界能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，電機(jī)是我國(guó)電力消費(fèi)總量70%左右的重要耗能機(jī)電設(shè)備，具有廣闊的節(jié)能前景[1]。煤礦是我國(guó)一種重要的一次能源，礦井提升機(jī)等大型電動(dòng)機(jī)設(shè)備在開采中消耗了大量的能量。本文介紹了一種基于三電平變頻調(diào)速技術(shù)的低速直聯(lián)電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，該系統(tǒng)具有效率高、不需要減速機(jī)、維護(hù)簡(jiǎn)單、對(duì)電網(wǎng)沖擊小、能實(shí)現(xiàn)四象限工作等優(yōu)點(diǎn)，具有極其重要的研究?jī)r(jià)值和工程應(yīng)用意義。

1 立井提升機(jī)組成結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況分析

1.1 立井提升機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

立井提升機(jī)是通過(guò)鋼絲繩驅(qū)動(dòng)提升集裝箱沿井筒移動(dòng)，完成物料和人員運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械設(shè)備。驅(qū)動(dòng)及其控制與保護(hù)系統(tǒng)主要包括主電機(jī)、變頻器、電氣控制系統(tǒng)、基于PLC 的保護(hù)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。它具有功率大、安全保護(hù)要求嚴(yán)格、調(diào)速精度高等特點(diǎn)。近年來(lái)發(fā)展的基于低速電勵(lì)磁同步電機(jī)直連的立井提升機(jī)可不使用減速機(jī)，有效克服了上述問(wèn)題[2]。工作機(jī)構(gòu)主要包括主軸裝置和主軸承，制動(dòng)系統(tǒng)主要包括制動(dòng)器及其控制裝置，潤(rùn)滑系統(tǒng)包括潤(rùn)滑油泵站及其輸送管道，供電系統(tǒng)主要包括礦井電網(wǎng)、變壓器、繼電器等設(shè)施，檢測(cè)和控制系統(tǒng)主要包括手術(shù)臺(tái)和深度指示器。輔助部分包括護(hù)罩、框架、導(dǎo)輪裝置、框架和槽等裝置。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 運(yùn)行工況分析

圖2 為立井提升機(jī)的工作原理圖及轉(zhuǎn)速曲線。立井提升機(jī)的提升容器在井筒內(nèi)來(lái)回移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以用提升集裝箱的移動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系來(lái)描述，主要包括加速階段、恒速階段、減速階段、爬行階段和停車階段。t1～t2為加速階段，將制動(dòng)裝置開啟，提升容器的速度從0 上升，離開卸貨軌道，在加速度的基礎(chǔ)上增加到vm；t2～t3段為等速段，在井口內(nèi)保持起重速度vm；t3～t4是一個(gè)減速期，在這個(gè)時(shí)期，升降集裝箱在井口附近的加載點(diǎn)附近，升降平臺(tái)以減速度a3減速；t4～t5是爬行階段，在這個(gè)階段，吊車將進(jìn)入卸貨軌道，起重設(shè)備在低速運(yùn)轉(zhuǎn)，以減小碰撞；t5～t6是停機(jī)階段，在這個(gè)階段，機(jī)械制動(dòng)器會(huì)制動(dòng)，提升機(jī)停止工作。

圖2 立井提升機(jī)運(yùn)行示意圖與轉(zhuǎn)速曲線

從以上分析中可以看出，立井提升機(jī)的工作過(guò)程具有周期性特征，運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)頻繁啟停與加減速。立井提升機(jī)負(fù)載屬于勢(shì)能性負(fù)載，電機(jī)運(yùn)行方向既要求正轉(zhuǎn)也能夠反轉(zhuǎn)，某些工況要求運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，某些工況要運(yùn)行在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。為了保證系統(tǒng)安全、平穩(wěn)運(yùn)行、減小機(jī)械沖擊并減小鋼絲繩震蕩，煤礦安全規(guī)程規(guī)定，對(duì)于升降人員的副井提升機(jī)其加速度不得超過(guò)0.752 m/s，對(duì)于升降煤炭與裝備的主井提升機(jī)其加速度不得超過(guò)1.22 m/s?？傮w而言，立井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)要求具備四象限運(yùn)行的能力，且要求具備精確的調(diào)速性能。

2 立井提升機(jī)調(diào)速控制原理及策略

2.1 三電平變頻器工作原理

目前，礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要采用交流電機(jī)，基于大功率電勵(lì)磁同步電機(jī)（EESM）的低速直驅(qū)技術(shù)具有效率高、維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文選擇其作為研究對(duì)象，介紹了礦井提升機(jī)的調(diào)速原理?；谌娖阶冾l器驅(qū)動(dòng)的EESM調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括礦用交流配電系統(tǒng)、交流電抗器、整流器、逆變器和EESM直驅(qū)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。對(duì)于中壓大功率場(chǎng)合，本文采用背靠背的雙三電平拓?fù)錁?gòu)成交- 直- 交變頻器。

三電平變頻器的輸出端電壓有三種狀態(tài)，分別定義為P、O 與N，以a 相為例，4 個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的IGBT（Sa1-Sa4）各狀態(tài)對(duì)應(yīng)的開關(guān)管通斷情況如表1 所示，其中當(dāng)上、下母線電容電壓平衡時(shí)，上、下母線電容電壓（Vc1與Vc2）大小相同且均為直流母線電壓的一半。為了減小輸出電壓的dv/dt，三電平變換器在工作過(guò)程中單相的開關(guān)狀態(tài)只允許在P 與O 及O 與N 之間相互切換，三電平變換器每相端電壓具有三個(gè)狀態(tài)，將三相的端電壓狀態(tài)組合可形成27 個(gè)電壓空間矢量，其結(jié)構(gòu)為一個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)。當(dāng)參考電壓信號(hào)幅值小于六邊形的內(nèi)切圓半徑時(shí)，三電平變換器可實(shí)現(xiàn)電壓線性輸出，三電平變換器能夠輸出的最大相電壓峰值可按照下式計(jì)算：

表1 P、O 與N 狀態(tài)對(duì)應(yīng)的開關(guān)管通斷情況

式中：ulim為三電平變頻器限制電流；Udc為三電平變頻器最大相電壓峰值。

2.2 立井提升機(jī)變頻器調(diào)速控制策略

基于低速直連EESM 的立井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有高效、高可靠性、維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，本章以雙繞組EESM為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制方案使得雙繞組EESM在單個(gè)變頻器故障時(shí)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，可實(shí)現(xiàn)立井提升機(jī)的半速全載運(yùn)行。雙繞組EESM包含有兩組Y 型連接的定子繞組，EESM的兩組定子繞組與兩套背靠背的交- 直- 交變換器連接。在其中一套變頻器發(fā)生故障時(shí)，最簡(jiǎn)單的方式是將此臺(tái)變頻器直接切除，相應(yīng)的繞組處于開路狀態(tài)，而另外一套變頻器與繞組正常工作。但顯然此種方式的電機(jī)帶載能力變?yōu)樵瓉?lái)的50%，而對(duì)于立井提升機(jī)滿載運(yùn)行的工況，此種方式將無(wú)法提供足夠的力矩以完成罐籠的提升，提升機(jī)處于失控狀態(tài)。

為了克服上述缺點(diǎn)，本文研究的容錯(cuò)控制通過(guò)設(shè)立容錯(cuò)控制繼電器以實(shí)現(xiàn)在單個(gè)變頻器故障時(shí)完成EESM兩個(gè)獨(dú)立繞組的串連，并使用未故障的變頻器同時(shí)控制兩個(gè)串聯(lián)的繞組。故障前后，雖然總定子電流最大值只能為原理的50%，但由于繞組串聯(lián)后，定子繞組的磁鏈疊加使得氣隙磁鏈增加1 倍，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩方程可知此時(shí)電機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩與故障前相同，但是最大轉(zhuǎn)速降為額定轉(zhuǎn)速的1/2。從而實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，確保關(guān)鍵設(shè)備在故障時(shí)不停運(yùn)，有利于提高礦井提升機(jī)系統(tǒng)的可靠性。

3 提升機(jī)變頻調(diào)速抗干擾設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 三電平變頻器層疊母線設(shè)計(jì)

在三電平變換器的換流期間，主回路中有許多寄生電感，例如電源裝置引線電感、電容引線電感、螺栓連接電感、母線雜散電感等，這些寄生電感會(huì)引起IGBT 在切換時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓尖峰，從而對(duì)IGBT 的正常工作產(chǎn)生不良影響，并產(chǎn)生電磁干擾等問(wèn)題[3]。為了降低三電平變頻器的主回路中的寄生電感，提出了一種由平板導(dǎo)線和絕緣層構(gòu)成的疊層母線。在三電平變頻器單相橋臂中，有六個(gè)等電位連接點(diǎn)，因此單相橋臂共需六塊導(dǎo)流平面，分別為負(fù)母線層、上橋臂鉗位層、正母線層、下橋臂鉗位層、零母線層以及輸出層。

如表2 所示為本文設(shè)計(jì)的三電平變頻器層疊母排的雜散電感測(cè)量值，可見(jiàn)本文所設(shè)計(jì)的層疊母排能夠?qū)㈦s散電感限制在極小的范圍內(nèi)，有效解決了寄生電感過(guò)大引起的IGBT 瞬態(tài)過(guò)壓的問(wèn)題。

表2 三電平變頻器層疊母排的雜散電感測(cè)量值

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況分析

基于EESM 技術(shù)的山西某煤礦立井提升機(jī)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，由6 kV 電網(wǎng)、高壓柜、變壓器、進(jìn)線電抗器、變流柜、雙繞組EESM、液壓站以及PLC 控制柜等組成。三電平整流變頻器的多目標(biāo)分層預(yù)測(cè)控制，當(dāng)EESM在額定功率下工作時(shí)，其功率為1 750 kW。由三相端子電壓波形可知，在一個(gè)工作頻率循環(huán)中，每個(gè)相位的電壓跳躍數(shù)約為13 次，三電平整流器12個(gè)IGBT 的平均切換頻率為267 Hz，切換損失較少。三相電網(wǎng)側(cè)的電流波形，其正極性很高，其THD 為4.1%，符合并網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。上直流母線的電壓波形和下直流母線的電壓波形是一種均衡的控制，并且它的波動(dòng)幅度被限定在它的極限范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用三電平變頻器可以在較低的切換頻率下工作，降低網(wǎng)側(cè)的失真率，從而可以有效地降低非線性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響。采用雙繞組EESM，可以實(shí)現(xiàn)低速直接聯(lián)接，具有高效率和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。利用氣隙磁鏈方向進(jìn)行矢量控制，能夠確保調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)特性方面具有較高的效率和可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)山西煤礦立井提升機(jī)系統(tǒng)，以提高生產(chǎn)效率、可靠性和降低電網(wǎng)污染為目標(biāo)，深入研究了立井提升機(jī)的調(diào)速原理及參數(shù)設(shè)計(jì)、立井提升機(jī)的調(diào)速控制策略。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明了采用交- 直- 交型三電平變頻器的電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的低速直驅(qū)式立井提升機(jī)的速度控制效果良好，三電平變頻器可以在較低的切換頻率下工作，降低網(wǎng)側(cè)的失真率，可以有效地降低非線性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響。采用雙繞組EESM，可以實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速的直接聯(lián)接，具有高效率和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。