矿山提升机变频调速系统的改进
1 引言
我公司自主研制开发的矿山提升机变频调速系统，已于2000年12月通过了山东省科学技术厅科技成果鉴定，填补了国内空白，并有2台分别在山东省宁阳华宁煤矿和山东省宁阳正大煤业有限公司运行两年多，对矿用提升机的安全运行及节能改造确实起到了决定的作用，应用效果较好。
(1) 实现了软启动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠。
(2) 起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作、降低了工人的劳动强度。
(3) 起动转距、低频转距、制动转距均符合规定的要求。
(4) 运行速度曲线成S形，使加减速平滑、无撞击感。
(5) 远控及显示正常，使操作方便、观测更直观。
(6) 安全保护功能齐全，除一般的过压、欠压、过载、短路、温升等保护外，还设有连锁保护、自动限速保护功能等。
(7) 制动方式灵活实用，设有直流制动、能耗制动、及回馈制动等，经使用效果较好。
但是，由于矿山网电波动比较大，原来的回馈单元比较复杂，给调试及现场按装带来了不便，特别是要求回馈电压与电网必须严格同步，回馈能量波的相位处理，这些因素都会引起回馈制动不能正常进行，使电动机再生发电状态下不易将回馈的电流完全反送电网，而成为一部分无功被反射回变频器，造成主回路电压的上升而损坏主功率器件，同时对电网也造成一定的污染。因此，为保证该类变频器的正常运行，以利于对矿山提升机大面积地进行变频改造，急需寻求一种新的方案对原系统进行改造，使矿山提升机变频系统可靠运行，将该技术顺利地推向市场。
2 问题的提出
原来的变频调速系统其难点就在于回馈能量的处理。现设想能否有一种器件将再生发电状态发出的电能象蓄电池一样暂时储存起来，在负载电机进入电动机状态时再释放出来，从而实现回馈能量的自动存放，以保证主功率器件的安全，又能利用储存的电能而节电，这是比较理想的方案。一是控制电路比较简单，易于调试安装。二是该部分能量直接通过变频器拖动负载，而不向电网反送，避免了对电网的污染，是一种行之有效的方案，但问题是这种储能元件是否存在呢？
3 超容电容
超容电容器是近几年才发展起来的一种专门用于储能的特种电容器，有着法拉级超大电容量，比传统的电解电容器的积能密度高上百倍，漏电流小近千倍，它的放电功率较蓄电池高近十倍，不需要任何维护和保养，寿命长达十年以上，是一种理想的大功率物理二次电源，已成功地用作内燃发动机的启动电源。.电动车的起步、加速、爬坡电源;高压开关的分合闸操作电源及用于电传动装甲车和大型充磁设备中。
目前，此类电容器已经开发出，其系列技术指标为:电容器0.2～600F，工作电压14～400V，最大电流400～200A。
经过论证，这种电容器是符合于我们所需的储能元件，它的充放电功率大，比蓄电池高近十倍，且不需要任何维护和保养，是较理想的物理二次电源，选这种器件作为储能器件，根据计算，选用0.58F/400V的电容两只，并联使用。
4 改进的主电路及工作原理
4.1 改进的主电路
改进后的主电路四个单元正、负母线分别连在一起，这样可以减少超级电容的个数，易于装配，这里原来的每个单元的直流电抗起到了均流的作用，如图1所示，图1中:C—超级大电容0.58F/400V;G0—电容C放电时的工作模块;G1—刹车模块;G2—电容充电时的工作模块。
4.2 工作原理
(1) 当电机进入发电状态时，直流回路电压升高，首先通过G2给电容C充电，为使充电快，则L1要做小，母线电压高，充电瞬间L1上的电压UL=L(di/dt)电流很大，所以G2要选电流比较大的模块。
(2) 当电容C的电压达到其安全电压时，(我们设计的指标为340V)再充电可能会使电容爆裂，此时开通G1刹车单元,把高出的能量以刹车电阻的热量形式耗掉。
(3) 电容放电时，由于时间限制短，所以可用较小的IGBT，UL2=L2(di/dt)，放电时，电网整流后的电压为530V，当电容能量释放时，由于U=UL2+UCS>UN(UN为电网整流后的电压)，此时电容向电机提供能量，而网电提供的能量就减小了，从而实现了节能，为使UC尽量小，即把电容C中的能量尽量放掉，则要使UL2=L2(di/dt)，尽量大，才能放多电，所以L2要尽量大点。
(4) 放电到U=UL2+UC≤UN时，电网整流后的母线电压高时 此时G0就不再放电了，剩余的电荷即储存于电容C中。G0、G1、G2的开通、截止受CPU控制。
这里要确立两个基准值，一个是母线电压基准UBUS，一个是超级电容的基准UC。UBUS要随着电网的波动而变化。在空载时，母线电压UN与基准电压UBUS相差不多，只有当母线电压UN高出UBUS一定值时，才开始给电容充电。UBUS不可选得太低，否则难以控制向电容充电，也不可选的过高，否则主回路器件的安全会受到威胁。基准UC是为保证电容C的安全而设计的，一般选为额定电压的80%-90%，过高电容的寿命会受到影响，也有可能充爆，过低刹车单元会频繁地工作，造成不应有的损失。
5 运行效果
改进后的变频器(型号JD-BP4160，JD-BP4180)经过在山东宁阳华宁煤矿和山西省左云县马道头乡铁底村煤矿2台试车运行，其效果很好。
(1) 超级电容C充放电正常，电容上的电压在基准UC之内，主回路工作电压稳定，即使急刹车也没有发生瞬间高电压的情况，保证了主器件的安全。
(2) 超级电容放电时网电送电明显减少，由于不向电网回馈，避免了对电网的污染。
(3) 原变频调速系统的优点仍继续保留，利于用户使用
(4) 中低速段节电效果显著，据测算，大约在30%以上，比原系统还要好。
矿用提升机变频调速系统经过这一改进后，其运行更加安全、可靠，矿上的操作人员更加放心地使用，这一技术的推广带来了良好的效益。
参考文献
[1] 李瑞来，何洪臣，韩文昭. 矿山提升机变频调速系统[J]. 变频器世界,2000.9.
[2] 周加胜. 变频调速器在油田抽油设备上的应用[J]. 变频器世界, 2003.3.
作者简介
周加胜(1967-) 男 工程师 1990年毕业于山东工业大学电机系工业电气自动化专业，现在山东风光电子有限公司从事变频器的研制、开发工作。
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