四象限變頻器理論分析及在副井提升機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐

摘要：本文旨在說明四象限變頻技術(shù)的結(jié)構(gòu)框架、理論分析及市場范圍，并著重介紹了廣州智光電氣四象限變頻器在副井提升機(jī)中的應(yīng)用實(shí)踐，圍繞大功率工業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐來闡述四象限變頻器不同于傳統(tǒng)工業(yè)上使用的兩象限變頻器。對四象限變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作了簡單說明，因半控橋和有續(xù)流二極管的電路，整流電壓Ud不能出現(xiàn)負(fù)值，并且不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性，故四象限變頻器采用了絕緣柵型雙極晶體管IGBT來構(gòu)成不同于傳統(tǒng)變頻器的整流模塊，來實(shí)現(xiàn)主回路負(fù)載提升機(jī)工作在斜井時(shí)實(shí)現(xiàn)的能量雙向流動(dòng)，在將電動(dòng)機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的能量反饋回電網(wǎng)的同時(shí)，還在極大程度上改善了網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)和傳統(tǒng)變頻器二極管整流所產(chǎn)生的網(wǎng)側(cè)諧波以及dv/dt很小的特點(diǎn)。本文結(jié)合現(xiàn)場四象限變頻器的實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用來介紹其理論分析及應(yīng)用特點(diǎn)！

關(guān)鍵字：四象限  煤礦提升機(jī)  濾波  結(jié)構(gòu)拓  撲智光變頻

1、應(yīng)用現(xiàn)場介紹

華亭煤業(yè)集團(tuán)成立于2002年4月24日，是甘肅省目前**的國有現(xiàn)代化大型煤炭企業(yè)，礦區(qū)煤炭總面積134平方公里，煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量33.7億噸，是國家規(guī)劃的13個(gè)大型煤炭基地黃隴極地的骨干礦區(qū)之一。礦區(qū)煤炭品質(zhì)優(yōu)良，具有高發(fā)熱量、高揮發(fā)量、高化學(xué)活性及低硫、低磷、低灰等“三高三低”的特點(diǎn)。華亭煤業(yè)集團(tuán)擁有三個(gè)控股子公司、三個(gè)全資子公司、三個(gè)分公司和馬蹄溝煤礦、山寨煤礦等二級單位，本設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)場為山寨煤礦，地處甘肅省平?jīng)鍪胁叩祖?zhèn)街道，華亭縣城西北部，山寨煤礦礦井天平均走向3.00km，平均井斜3.431km,井田面積10.2947km,礦井保有地質(zhì)儲(chǔ)量21868.3萬t,可采儲(chǔ)量15307.8萬t。

山寨煤礦于2003年4月進(jìn)行礦井改擴(kuò)建，該項(xiàng)目由甘肅省發(fā)展改革委員會(huì)以甘發(fā)改能源（2006）889號文件核準(zhǔn)，2003年1月由煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，由甘肅省煤業(yè)建設(shè)第一工程承建，2010年6月竣工驗(yàn)收。主井井筒斜長756m，傾角16°，1350膠帶大巷共安裝一臺(tái)STJ1000/2×560S型膠帶輸送機(jī)，運(yùn)輸能力800t/h，帶寬1000mm，帶強(qiáng)3150N/mm,帶速3.3m/s,電機(jī)功率560KW。本次四象限變頻器應(yīng)用負(fù)載為其副井提升系統(tǒng)，副井安裝一臺(tái)GKT3×2.2-20型單滾筒絞車，井筒傾角23°，提升長度565m，滾筒直徑3m。寬度2.2m，提升**速度3.8m/s,**靜張力130KN。鋼絲繩直徑37mm，電動(dòng)機(jī)功率450KW，額定電壓6kv,主要負(fù)責(zé)運(yùn)輸物料、升降人員等礦井輔助提升任務(wù)。井下輔助運(yùn)輸采用軌道運(yùn)輸，主要輔助運(yùn)輸線路采用30Kg/m的礦用鋼軌，全長度2600m。

2、四象限變頻器結(jié)構(gòu)理論分析

2.1、四象限變頻器簡介

四象限變頻中四象限主要是指其能夠運(yùn)行在具有機(jī)械特性曲線所建立的數(shù)學(xué)模型的數(shù)軸之上四個(gè)象限，也即是第一象限正轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)，第二象限回饋制動(dòng)狀態(tài)，第三象限反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)，第四象限反接制動(dòng)狀態(tài)。應(yīng)用的負(fù)載主要是具有機(jī)械位勢負(fù)載特性的工業(yè)化現(xiàn)場，例如煤礦提升機(jī)、油田磕頭機(jī)、離心機(jī)、以及牽引機(jī)等負(fù)載上。

2.2、四象限變頻器主電路結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

在常規(guī)單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器（1）的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以10kV8級串聯(lián)系統(tǒng)為例，電源側(cè)采用移相變壓器構(gòu)成的48重化，供八級單元體電壓的輸入（4），單元輸出采用級聯(lián)模式。變壓器副邊繞組輸出通過錯(cuò)開一定的相位角，有效的降低電網(wǎng)側(cè)諧波的污染，n次諧波含有率降低為n=48k±1次，k為自然數(shù)。式中已經(jīng)不含有低次諧波，高次諧波雖然依然存在，但是高次諧波的幅值大大降低。功率單元體的輸入側(cè)和移相變壓器之間安裝有交流電抗器，各個(gè)功率單元整流橋回路部分由全控型器件IGBT構(gòu)成（2），在三相移相變壓器的輸入側(cè)加上電壓互感器PT（5），PT端二次側(cè)電壓通過中間隔離變壓器加在單元體上作為電壓相位檢測回路（6），包括其一次連接的同步整流、過流比較電路、鎖相環(huán)電路。下圖為四象限變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖：

圖1四象限變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖

2.3、全控功率單元主結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

功率單元整流橋采用全控性整流器件IGBT，中間為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，逆變?yōu)镮GBT全逆變橋輸出兩相。當(dāng)設(shè)備工作在第一、三象限，能量正向流通，輸入電壓通過整流橋整流經(jīng)過直流存儲(chǔ)環(huán)節(jié)逆變?yōu)榭晒┹敵龅慕涣麟妷?。二四象限工作時(shí)，整流側(cè)的能量回饋控制部分動(dòng)作，通過控制逆變電壓相位和幅值，最終實(shí)現(xiàn)將直流逆變成交流，將能量回饋到電網(wǎng)。電機(jī)能耗反饋回來的能量是通過逆變側(cè)的續(xù)流二極管向直流母線流動(dòng)，通過單元輸入實(shí)現(xiàn)逆變。

圖2全控功率單元主結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

2.4、相位檢測功能實(shí)現(xiàn)

相位檢測環(huán)節(jié)如圖所示，實(shí)現(xiàn)移相變一次側(cè)電壓的相位檢測功能。采樣移相變壓器原邊電壓通過PT采樣二次側(cè)接入隔離變壓器一次，隔離變二次通過同步整流電路在單元內(nèi)部進(jìn)行檢測，通過過零比較電路以及鎖相電路保證移相變原邊電壓相位及移相變壓器的二次相位與電網(wǎng)輸入同相，單元輸入側(cè)正相位并聯(lián)并網(wǎng)電感，實(shí)現(xiàn)電機(jī)側(cè)向電網(wǎng)側(cè)的電壓反饋。

圖3檢測功率單元相位原理圖

3、副井提升機(jī)的工藝需求

3.1、電機(jī)銘牌參數(shù)

電機(jī)銘牌參數(shù)

型號YR560-12

生產(chǎn)廠家上海電機(jī)廠異步電動(dòng)機(jī)

轉(zhuǎn)子異步三相

啟動(dòng)方式直起

額定功率（kW）450

額定電壓（kV）6

額定電流（A）55.7

功率因數(shù)0.837

轉(zhuǎn)速（r/min）487

表1電機(jī)銘牌參數(shù)

3.2、副井提升機(jī)運(yùn)行工況

在井下565米開始加速至0.5m/s勻速運(yùn)行，到520米處加速至0.8m/s，運(yùn)行至430m處全速運(yùn)行至3.4m/s,一直運(yùn)行至60m處減速到0.5m/s，20m以下0.2m/s運(yùn)行最后停車。反向以同樣的方式加減速運(yùn)行，控制后臺(tái)回路為上海電光的電控系統(tǒng)。上拉過程中最多掛6輛小車，載重約為15噸，下放過程最重為23噸左右。電動(dòng)牽引系統(tǒng)不能完全實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，在斜井提升機(jī)中必須提供可靠的制動(dòng)力來克服下放或者上拉停止所產(chǎn)生的由自重或慣性引起的下滑力。電控系統(tǒng)畫面如下圖所示：

圖4副井提升機(jī)系統(tǒng)畫面圖

上拉下放過程由于負(fù)載可能出現(xiàn)在25噸物料以下的所有范圍內(nèi)，變頻系統(tǒng)需提供給電機(jī)足夠的啟動(dòng)力矩，并盡可能的將加速時(shí)間縮短至20s以下，啟動(dòng)保持時(shí)間需控制在3s以下。運(yùn)行開始前需要將電機(jī)風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、制動(dòng)泵、液壓站潤滑泵全部啟動(dòng)保證基本的運(yùn)行制動(dòng)條件。運(yùn)行時(shí)松開制動(dòng)抱閘，通過推動(dòng)速度連桿來控制絞車的速度。停止時(shí)將主令開關(guān)復(fù)位，變頻器需要立即停止輸出，推動(dòng)抱閘連桿動(dòng)作迅速停止提升機(jī)。下放過程中提升機(jī)減速，勢能開始轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能，電動(dòng)機(jī)工作在第四象限處于反向發(fā)電的工作狀態(tài)。下圖5為現(xiàn)場副井提升機(jī)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載圖。

圖5副井提升機(jī)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載圖

3.3、電控系統(tǒng)介紹及技術(shù)要求

（1）電控系統(tǒng)介紹：本次礦井提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，是由上海電光防爆公司提供的，采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，智能化程度較高。具有先進(jìn)的自動(dòng)化控制手段和完善的保護(hù)功能，降低了設(shè)備的故障率以及設(shè)備的檢修時(shí)間。

（2）系統(tǒng)功能及技術(shù)要求：

1、位置控制：包括減速、停車、過卷、同步、鋼材長度變化引起的位移變化補(bǔ)償。

2、運(yùn)行全程的速度、位置、減速、過卷采用主控PLC和監(jiān)控PLC互為保護(hù)監(jiān)視。

3、具有故障診斷功能：具有對西門子PLC、高壓變頻器、現(xiàn)場總線的故障診斷功能。

4、減速校準(zhǔn)：在井筒兩端設(shè)置獨(dú)立的減速校核開關(guān)，用于對重要位置的速度校準(zhǔn)。

5、具有防止人為誤操作系統(tǒng)。

6、具有三條或者以上的安全回路，且需至少設(shè)置一條硬件安全回路保護(hù)。

7、PLC操作系統(tǒng)能夠完成提升機(jī)手動(dòng)、半自動(dòng)、檢修等各種運(yùn)行方式的控制。

8、具備按照預(yù)定時(shí)間或者地點(diǎn)減速或者加速的功能，且能夠在出現(xiàn)制動(dòng)油溫高、主電機(jī)超溫、變頻器重故障等問題出現(xiàn)時(shí)緊急停車。

9、具備完善的和開關(guān)柜以及后臺(tái)、變頻器、電機(jī)、開關(guān)柜、PLC柜的連鎖保護(hù)功能。

10、具有PLC硬件和軟件的冗余設(shè)計(jì)，具備多鐘通訊接口和多種備用程序及方案。

（3）主安全回路內(nèi)容

A、主令控制器手柄零位聯(lián)鎖

B、工作閘制動(dòng)手柄聯(lián)鎖限位開關(guān)

C、測速斷線保護(hù)

D、失壓脫扣保護(hù)

E、制動(dòng)油壓高繼電器

F、錯(cuò)向保護(hù)

G、等速超速

J、過卷開關(guān)

K、過卷復(fù)位開關(guān)

L、斷軸保護(hù)

M、彈簧疲勞開關(guān)

N、松繩保護(hù)

圖6電控系統(tǒng)人工操作控制臺(tái)

4、四象限變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用

4.1、變頻現(xiàn)場一次主回路原理圖

根據(jù)現(xiàn)場工藝和負(fù)載實(shí)際情況，選用由廣州智光提供的容量為630kVA的四象限高壓變頻，額定電壓6kV，額定輸出電流60A，變頻采用手動(dòng)一拖一方式，GK為高壓帶電顯示器，R為充電電阻，J1為旁路接觸器，充電完成后將充電電阻旁路。K1為刀閘，變頻一次主回路原理圖如圖7所示。

圖7變頻一次主回路原理圖

4.2、主回路控制方式和功率單元控制

相位檢測電源取自隔離變壓器的二次，隔離變壓器的一次電源取自PT信號。當(dāng)相位檢測電源拔掉后，單元構(gòu)成兩象限運(yùn)行模式，可按照正常變頻器使用。插入電源端子后為四象限運(yùn)行模式，功率單元交流輸入側(cè)串聯(lián)有并網(wǎng)交流電抗器，也能減少對電網(wǎng)側(cè)的沖擊。控制回路分為整流部分控制驅(qū)動(dòng)板和逆變部分控制驅(qū)動(dòng)板，分別對應(yīng)控制電源1和控制電源2。單元控制回路以可編程邏輯器件為核心，主控回路為以雙數(shù)字信號處理器（DSP）和超大規(guī)模集成電路可編程邏輯控制器件（FPGA）為控制的核心部分，輸入、輸出電流通過CT和霍爾傳感器進(jìn)行采樣，輸入和輸出電壓信號通過PT和電壓檢測電阻板實(shí)現(xiàn)采樣。功率單元和主控制器之間通過光纖來實(shí)現(xiàn)通訊，有光電耦合器實(shí)現(xiàn)中間環(huán)節(jié)的傳輸和AD轉(zhuǎn)換，將所有采集到的信號通過485和232通訊傳輸至觸摸屏或者液晶面板顯示成數(shù)字量。

圖8為單元體外部結(jié)構(gòu)圖，光纖接口連接主控制回路的光纖通訊，控制電源1、2為整流和逆變回路及驅(qū)動(dòng)板件提供電源，相位檢測端子插上即代表工作在四象限變頻狀態(tài)。單元內(nèi)部控制回路主要為驅(qū)動(dòng)板，集成了單元內(nèi)部測溫、直流電壓檢測回路、IJBT的驅(qū)動(dòng)電路以及交流電壓檢測等功能的處理。單元內(nèi)部保護(hù)裝置設(shè)置有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、鎖相保護(hù)、驅(qū)動(dòng)保護(hù)以及電壓誤差過大保護(hù)。當(dāng)單元體內(nèi)部出現(xiàn)故障，驅(qū)動(dòng)板會(huì)將故障通過狀態(tài)指示燈顯示給用戶，方便查看故障信息。

4.3、相位檢測功能回饋

因?yàn)樗南笙拮冾l器要實(shí)現(xiàn)有源逆變，所以必須保證移相變壓器的一次進(jìn)線為正相序，否則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過流保護(hù)而燒掉單元內(nèi)部回路。在上高壓前需要使用相序檢測儀，分別在進(jìn)線柜和控制柜檢測PT二次側(cè)的接線端子保證為正序。相位檢測繼電器的吸合條件：無電控分高壓按鈕節(jié)點(diǎn)，有高壓開入，沒有特殊重故障。需要同時(shí)滿足時(shí)方可吸合繼電器，實(shí)現(xiàn)單元回饋功能，即相位檢測繼電器KA17會(huì)吸合，回饋電壓后單元直流電壓大概在10S左右直流電壓由780V升到880V左右。UO4和UO5為PT電壓互感器，采樣6KV高壓進(jìn)線開關(guān)柜輸入到變壓器一次側(cè)的電壓信號然后經(jīng)過二次側(cè)送給隔離變和控制器，供電壓檢測和采樣。

變頻的設(shè)備主板程序中已經(jīng)將主回路的相位檢測作為運(yùn)行條件，程序檢測到輸入電壓的相位如果不是按照A、B、C三相電壓各超前90°的相序，控制器則會(huì)認(rèn)為設(shè)備故障，不能啟動(dòng)。確保在二、四象限運(yùn)行時(shí)反饋回電網(wǎng)的電壓和網(wǎng)側(cè)電壓相位一致。

圖9電壓檢測及相位檢測繼電器

4.4、四象限變頻器現(xiàn)場結(jié)構(gòu)組成

如圖10和圖11所示，變頻器本體由四大部分構(gòu)成：進(jìn)線充電柜、變壓器柜、電感柜、功率控制柜。

（1）進(jìn)線充電柜：將進(jìn)線6KV電源引入后接入充電電阻，進(jìn)線充電柜電阻旁路JI接觸器原理為：上高壓（帶電顯示器GK閃爍）后3S后合閘旁路電阻，對設(shè)備主體完成充電過程后將其旁路。作用是完成對直流母線回路的預(yù)充電，避免因高壓電送進(jìn)來時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大的電流沖擊而對模塊內(nèi)部造成損壞。

（2）變壓器柜：主要放置移相變壓器，對二次輸出電壓進(jìn)行移相，還有濾除諧波功能。單個(gè)功率單元輸出為矩形波，移相疊加后輸出為接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波的電壓波形。輸出采用的是移相多重化的正弦脈寬技術(shù)（SPWM）、無速度矢量控制，實(shí)現(xiàn)低輸出諧波的效果。

（3）電感柜：作用是一方面在電動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，另一方面實(shí)現(xiàn)回饋狀態(tài)下的濾波。其主要的意義跟動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償中SVG產(chǎn)品的輸入電抗作用相同，作為并網(wǎng)電感來使用。回饋裝置是外置電抗器結(jié)構(gòu)，接線時(shí)需保證電抗器的端子必須與回饋裝置上的端子對應(yīng)。

（4）功率控制柜：包括控制器、PLC等主控核心器件組成。傳輸過程是光纖傳輸、編碼轉(zhuǎn)換，控制器內(nèi)部處理采樣進(jìn)來的各類數(shù)字量信號以及模擬量信號通過AD轉(zhuǎn)化為小電流信號，再轉(zhuǎn)為芯片可識(shí)別的電壓信號傳遞給主控制板來處理，各類用戶控制接口和通訊功能供用戶端使用。

圖10四象限變頻器組成

4.6、副井提升機(jī)減速應(yīng)用策略

用戶開關(guān)柜為電保持型開關(guān)柜，在送電后變頻器的啟動(dòng)信號為點(diǎn)控制型的，即給啟動(dòng)高電平時(shí)正轉(zhuǎn)，撤銷該信號時(shí)為停止。給停止信號高電平時(shí)為反轉(zhuǎn)，撤銷該電平信號時(shí)即為停止信號。在上拉和下放過程中加速過程是由變頻器自身控制，電控系統(tǒng)輔助完成，但是減速過程由電控系統(tǒng)控制，所以減速過程必須要滿足用戶的所有需求，以及配合電控系統(tǒng)的減速和操作臺(tái)的緊急抱閘尤為重要。為用戶制定了除正常停機(jī)外的另外三種減速方案，滿足用戶在不同負(fù)載和不同時(shí)刻的需求！下圖13為用戶負(fù)載的后臺(tái)運(yùn)行曲線圖。也明顯可以看出設(shè)備啟動(dòng)和停止非常頻繁，連續(xù)工作在短時(shí)間的加減速過程中，從高速運(yùn)轉(zhuǎn)突然減速到零，在較短時(shí)間內(nèi)需要即刻再啟動(dòng)，所以制動(dòng)時(shí)間的節(jié)點(diǎn)非常重要。為此指定了不同于正常減速方案的三種不同的減速模式來達(dá)到現(xiàn)場的要求。

圖13現(xiàn)場后臺(tái)運(yùn)行曲線

（1）第一套減速方案：為折線減速，即以參數(shù)設(shè)置中的“直流制動(dòng)頻率”中設(shè)定的值為第二段減速起始頻率，50HZ起至設(shè)定值的減速時(shí)間執(zhí)行“減速時(shí)間”設(shè)定的值，第二段減速的減速時(shí)間執(zhí)行“直流制動(dòng)時(shí)間”設(shè)定的值，為該段減速時(shí)間。

（2）第二套減速方案：為半手動(dòng)減速，即當(dāng)“主令手柄”在滿位有手動(dòng)減速動(dòng)作的時(shí)候，就開始執(zhí)行第二套減速方案，但是減速的目標(biāo)頻率（減速后運(yùn)行的速度）為“主令手柄”控制給定。減速的時(shí)間設(shè)定為：“直流制動(dòng)時(shí)間”設(shè)定的值，為第二套減速方案的時(shí)間。

（3）第三套減速方案：為緊急制動(dòng)，即在運(yùn)行過程中，遇到緊急情況，直接拉“制動(dòng)手柄”，將電機(jī)和滾筒抱死。

綜合來看，在變頻控制系統(tǒng)中設(shè)置這三種減速方案可以保證高壓電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中以最安全、最快的方式靜止下來，減少了對負(fù)載電機(jī)減速器的損害，對于具體項(xiàng)目減速方案和時(shí)間的把控，應(yīng)結(jié)合具體項(xiàng)目進(jìn)行減速效果評估。目前現(xiàn)場的減速方案完全滿足華亭煤業(yè)現(xiàn)場用戶對于四象限變頻器的“即停即開”的要求，加上日常對變頻器的檢查維護(hù)工作，定能夠保證四象限變頻器設(shè)備在煤礦提升機(jī)安全、可靠運(yùn)行！

5、結(jié)束語

四象限變頻器的應(yīng)用極大程度上的提高了現(xiàn)場的節(jié)能效果，在制動(dòng)過程中減少了能量的流失，并且將制動(dòng)過程中的能量回饋到電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的作用，相比于普通變頻功能更加優(yōu)異，節(jié)能效果更加明顯。并且減少了電網(wǎng)側(cè)的諧波污染，滿載功率因數(shù)可以接近于1。隨著市場上對電機(jī)的性能以及能耗方面提出更多層次的要求，四象限變頻器未來將能夠更好的服務(wù)于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域！