摘要：论述了变频调速的优异性能完全可以满足矿山提升机传动装置所提出的各种要求，这些要求包括调速特性和特殊的行程控制性能。对于提升机位势负载所要求的四象限运行则选配了DTC控制技术的变频器，它不但可以四象限运行，而且装置的功率因数高，没有特征谐波，虽然变频器本体价格高些，但省去了动态无功补偿和滤波装置的花费，整体装置占用空间也小些。
关键词：4象限运行 DTC控制技术 整流和逆变 无功功率 谐波
Application of Variable Frequency Control in the Mine Incline Hoist
Zhang Ansheng
Abstract: The paper describes the superior performance of variable-frequency control , quite fit for the mine hoist driving system in respect of speed control characteristics and special stroke control property. For the 4-quadrant operation required by hoist position load , DTC frequency converter is selected, as can not only perform 4-quadrant operation , but also offer high power factor without characteristic harmonic in spite of higher cost for the frequency converter .It can save the cost for dynamic reactive compensator and filter, and less space is required for the whole system.
Keywords: 4-quadrant operation DTC control technology rectification and reverse conversion reative power harmonic
1 引言
矿井提升机是有色金属矿山生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。提升机属于往复运动的生产机械。它的运行方式是反复的启动加速—等速—加速—匀速—减速—爬行—停车，是典型的位势负载。在选择提升机的拖动装置时，应满足提升机对电控系统的一些要求。
1）满足4象限运行。
2）调速平滑，调速精度高。
3）要设置准确可靠的速度给定装置。
4）设置行程显示和行程控制器。
5）完善的故障监视装置。
6）可靠的闸控装置。
根据提升机对电控系统的要求，提升机的电气传动方案现在大约有：绕线式异步电动机转子回路串金属电阻调速、可控硅直流调速、变频调速。
绕线式异步电动机转子回路串金属电阻调速：普遍采用交流绕线式电动机串金属电阻调速系统，金属电阻的投切用继电器—交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行一段时间后，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障。另外，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确。提升机频繁的起动﹑调速和制动，在转子电路上所串的金属电阻将消耗相当大的能量。这种交流绕线式电动机串金属电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；金属电阻上消耗的转差功率大，节能较差；起动过程和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行震动大，安全性较差。
可控硅直流调速：直流电机的调速性能良好，调速方法简便、调速范围宽广平滑。可控硅直流调速在低速时功率因数很低，产生谐波对供电电网有影响。由于可控硅整流电路交流侧电流波形为方块形波形，它由与电源频率相同的基波及5，7，11，13等次的高次偕波电流组成；还由于换相时两相电压的瞬时短路造成交流电压波形的缺口，它使电压具有高频的分量；因此整流电路可以被看成是一个高次谐波电源。高次谐波电流在供电电网上会造成谐波压降，引起电网电压波形的畸变，它将影响供电电网向其它设备的供电。
变频调速：随着变频的控制技术的日益成熟和变频功率元件的加大，变频调速已广泛的应用于工业领域。变频调速节能特点显著，调试方便。
现将变频调速在矿井提升上的应用及其功能、特性、控制方式介绍如下。
2 应用事例2.1 系统构成
提升机电控系统分为以下几部分：电源柜、变频器、PLC控制台、操作控制台和各种传感器等几部分组成。系统框图如图1所示。
图1 系统框图
2.1.1 电源柜
电源柜主要通过断路器向变频器、提升电动机供电，同时为PLC控制台、操作控制台提供工作电源。 本提升机系统采用PLC进行控制，PLC监视运行状况，当系统出现故障时，捕捉到第一故障信号,并在操作台的触摸屏上有醒目的故障显示，提醒维修人员对其进行针对性维护，将维护时间大大缩短，为尽快恢复生产提供了有力保障。
2.1.3 变频器设备的选型
该斜井提升机是单卷筒提升机。它采用货物串车重车上行轻（重）车下行、载人上下行的方式。在下行时电动机处于发电状态。上行时处于电动状态。这种拖动系统要求电动机频繁的正、反转起动，减速制动，而且电动机的转速按一定规律变化。
对于处于发电状态的电动机用变频器驱动可采用2种方式。
1）选用标准的变频器+制动单元+刹车电阻,将再生能量通过电阻发热消耗掉。这种调速方式虽然一次投资较小，但是不能达到良好的节能效果。而且制动单元和制动电阻功率的选择要根据制动容量来选择。制动电阻还要占用本来就很狭小的坑内硐室面积。制动电阻的散热问题较难解决。所以在方案论证时就被否定掉了。
2）采用整流/回馈单元,将再生能量通过一整流桥回馈到电网。
这种方式的整流单元有两种电路：一种是以可控硅整流电流做整流/回馈单元。因为是采用的可控硅电路就有谐波产生（上面已经论述的）。
另一种调速方案是采用可调整的整流输入单元（回馈单元，IGBT元件）后经传动单元（正常逆变单元，IG
BT元件）送电给提升电动机。当电动机处于发电状态时将能量通过整流单元回馈到电网。本方案就采用的是这种调速方案。
目前许多国外品牌的变频器都能够实现这一功能。其中水平较高的产品是ABB公司的ACS800多传动系列和西门子公司6SE70带AFE整流/回馈单元的产品。
ABB公司ACS800-17系列先进的变频器，是第一代采用直接转矩控制技术（DTC）的变频器。它能控制提升交流电动机达到完美的极限。经过论证选择了ABB公司的ACS800-17-0390-3全数字交流变频调速装置。它的一些功能在下面叙述。
2.1.4 三体式控制台
控制台上设有自动、手动、检修转换开关，前方操作台上设有液晶触摸屏及各种仪表、信号灯，左侧操作台设有液压站工作闸控制手柄、右侧操作台设有正反向速度给定手柄。
1）在控制台上的液晶触摸屏上采用翻页的方式做有多幅组态界面：监控主界面、闸控液压站界面、后备保护界面、故障查询界面、电源监控界面、变频器运行界面、提升信号状态界面。
2）每个界面上均有返回主界面的按钮，主界面上主要监视矿车的实际运行位置、提升时每个时刻的速度、液压站的运行状况、较严重的故障报警。主界面上还有相应的提升信号显示。
3）闸控液压站界面主要显示液压站的油压、油温、液位、液压站的电动机工作状态、液压工作闸指示、润滑油压力等。
4）后备保护界面主要显示：深度指示器监视、松绳保护、冷却风机、电机温度保护、减速器温度保护、减速点保护、减速点失效保护、上2 m开关故障、下2 m开关故障、上同步开关故障、下同步开关故障、上过卷、下过卷、上减速开关故障、下减速开关故障、错向保护、减速过速、等速过速、一级制动、二级制动、电流过载等。
5）故障查询界面主要用于对各种故障情况进行查询、追忆，便于对设备的维护和管理。
6）电源监控界面主要显示系统的电源原理图及主回路电流和电压。
7）变频器运行界面可以显示变频器运行时的各种参数：散热器的温度、电流、频率、转矩及各种故障。
2.2 电动机的工作过程
提升机无论正转、反转其工作过程是相同的，都有起动加速、稳定运行、减速制动停车等3个阶段。每提升一次运行的时间，与系统的运行速度，加速度及斜井的深度有关，各段加速度的大小，根据工艺情况确定。不论它工作在何种速段，电动机只是处于电动机状态和发电机状态。图2中将6号人车上提和人车下放的各个速段的工作情况说明如下：由于人车是在斜井中运行，可以省去中速运行和低速爬行的2个阶段，因此本系统由7阶段速度图改为3阶段速度图。载人的力图如图3所示。
图2 速度图
2.2.1 人车提升工作状态
1）第1阶段t0～t1：人车初始位置于靠近井下提升中段以上的斜井卷扬道上，待人员上满后，
图3 载人的力图
发一个联络信号给井口PLC，PLC回复一个信号到井底，然后开机加速提升。重车从井下开始上行，变频器拖动交流电动机上行。这时的电动机处于电动状态，变频器输出功率给电动机。在启动的瞬间的力矩较大，随着人车的上升变频器的出力有所减少。 3）第3阶段t2～t3：当重车快到井口时PLC发出减速信号，人车开始减速，变频器减少输出功率，重车的速度逐渐下降，直到速度为零。达到停车位置后，在工作制动闸起作用之前，由于车厢还载有重物，虽然电动机的转速为零，但是变频器依然可以提供满力矩拉住重车。一旦PLC发出机械抱闸信号，在下工作闸的同时，变频器也停止工作。整个提升过程结束。
经过t3～t4：20 s的休止时间间隙开始人车下放工作状态
2.2.2 人车下放工作状态
1）第1阶段t4～t5：重车从井口下放。PLC给变频器输出给定信号，松工作闸，人车下滑。由于此时的工作状态是下行，电动机处于发电状态，变频器处于能量回馈到电网状态。在启动瞬间以后随着人车的下放，重力增加，变频器的能量回馈有所增加。
2）第2阶段t5～t6：重车以最大速度稳定运行，电动机始终处于发电状态，这段过程时间最长。随着人车不断下放，系统重力不断增加，变频器能量回馈随之增加。
3）第3阶段t6～t7：当重车快到停车位置时PLC发出减速信号，人车减速，变频器能量回馈再次增加，重车的速度逐渐下降。直到速度为零。 达到停车位置后，在工作制动闸起作用之前，由于车厢还载有重物，虽然电动机的转速为零，但是变频器依然可以提供满力矩拉住重车。一旦PLC发出机械抱闸信号，在下工作闸的同时，变频器也停止工作。整个提升过程结束。
3 先进的控制方式
本系统采用ABB的ACS800-17变频器是ABB公司先进的变频器，它是第一代采用直接转矩控制技术（DTC）的交流变频器，作为提升专用变频器它还具有特殊的提升功能：特殊的应用程序，包括标准提升机系统的功能；转矩记忆，功率优化，限幅开关监控，机械制动器控制，转矩验证等。
它的功率部分（见图4）有LCL滤波器，供电模块（回馈模块），逆变器（传动单元）组成。
图4 功率部分框图
图5 IGBT供电单元原理图
电机的控制采用直接转矩控制技术（DTC）的方法。为了实现这一功能，需要测量二相电流和中间直流回路的电压。第三相的控制测量用于接地（对地）故障保护。
从提升和下放两个工作状态上看，该系统的运行过程主要分为两个过程：
1）提升电动机在提升过程中始终是电动机拖动人车上行，电动机始终处于电动状态，即变频器始终向电动机提供能量的过程。该过程主要由整流、滤波和正常逆变三大部分组成。如图6所示。其中正常逆变过程是其核心部分，它改变电机定子的供电频率，从而改变输出电压，起到调速作用。
图6 传动单元原理图
2）提升电动机在下放过程中始终是人车拖动电动机下行，电动机始终处于发电状态，即变频器始终向电网回馈能量的过程。该过程主要由整流、回馈逆变 和输出滤波三部分组成。其中该部分的整流是由正常逆变部分中IGBT的续流二极管完成。二极管为隔离二极管，其主要作用是隔离正常逆变部分和回馈逆变部分。电容的主要作用是为回馈逆变部分提供一个稳定的电压源，保证逆变部分运行更可靠。回馈逆变部分是整个回馈过程的核心部分，该部分实现回馈逆变输出电压相位与电网电压相位的一致。
ABB的ACS800多传动采用了先进的直接转矩控制方式（DTC）。
3.1 直接转矩控制
直接转矩控制技术是ABB公司开发研制的。逆变器的通断直接控制电动机关键的变量：磁通和转矩。
传动单元初次启动时自动进入励磁识别模式，传动单元带动电动机运行一段时间后传动单元建立并优化电动机的数学模型。
测量电动机电流和电压作为自适应电动机模型的输入，这个模型每隔25 μs产生一组精确的转矩和磁通的实际值。直接转矩控制的性能就是基于准确的电动机模型。
3.2 零转速满转矩
在电动机获得解除封锁信号后，电动机的速度设定值还未给定时，由于人车的重力作用有一个向下的力。这时变频器虽然没有输出电压但已经有电流输出，它使电动机有一个和重力相反的力矩使人车不下滑。而且可以使电动机输出满转矩。
ABB变频器带动的电动机能够获得在零速时电动机的额定转矩。
3.3 直流励磁
当选择了直流励磁功能后，变频器在启动前可自动给电动机定子绕组加一个直流电流励磁，这个特性保证有足够高的启动转矩，甚至200％的电动机额定转矩。电动机建立磁场的时间可以根据情况进行调整，也可以通过变频器根据电动机的数学模型来决定。在机械抱闸释放的时候已经建立起转矩，以保持电动机不会被重车拖动而发生转动。
3.4 加速/减速斜波 因为矿井提升是需要平稳的、圆滑的、特别是人车还要乘坐的人尽量在无知觉的行进中改变速度。对于矿井提升选用S曲线比较好。
3.5 磁通制动
在电动机制动过程中变频器根据在启动开始获得的电动机数学模型提高电动机的磁场以达到快速制动的目的。
变频器能通过提高电动机的磁场来提供足够快的减速。当增加电动机磁通后，电动机在制动过程中产生的能量能够被转化为电动机的发热能量。变频器持续监视电动机的状态，在磁通制动时也不停止监视。因此，磁通制动也能用于停止电动机和从一个转速变换到另一个转速。从一个转速变换到另一个转速用直流注入制动是不可能实现的。磁通制动与直流注入制动相比还有其它一些优点。
1）在停止命令给出后，制动迅速启动。在直流注入制动中，在停止命令给出后通常有一段时间的延时，制动才能启动。
2）电动机冷却的速率更高。在磁通制动过程中电动机定子的电流增加。在直流注入制动过程中电动机的转子电流增加。定子的散热比转子散热的速度更快。
3.6 磁通优化
ABB变频器的磁通优化减少了总能耗，并且减小了当传动运行在低于额定负载时的电动机噪音。总效率（电动机和传动）能提高1% ~ 10%，大小取决于负载转矩和速度。
4 系统中变频器部分先进功能简述
1）速度监视。本功能用于监测电动机速度：确定电动机零速旋转、在电动机超速时给出跳闸信号。
2）转矩监视。监测电动机在加速和减速时是否能够跟随速度给定，在正常运行和加/减速期间是否产生过度的速度偏差
3）快速停车。可设定不同的停车类型：
①仅带有转矩限制；
②带有转矩限制和机械制动；
③仅带有机械制动。
4）其他还有：转矩验证、功率优化、位置测量等等很多专门用于提升应用的功能,变频器本身具有松绳及过载保护功能。
5 系统的优点
1）软启动软停车。减小了机械冲击, 启动及加速换档时对电网冲击电流很小,使提升系统和电网运行更加稳定可靠. 变频器本身提供的功能使机械制动与电制动有机的结合起来，保证系统的绝对安全。
2）外围控制采用PLC。其与各部传感器,构成闭环控制(也可采用开环控制)，友好的人机界面时时监测系统运行情况,简化了系统构成,减小了人工劳动强度。
3）实现了无级调速。调速范围宽,运行曲线呈S型,使加/减速平滑,无冲击感。
4）安全保护功能齐全。外壳IP54防护等级,变频器除一般过流、直流过压、直流欠压、变频器过温、短路、输入缺相、环境温度、过频、I/O控制板内部故障外, 还具可编程故障保护功能、 AI 5）系统4象限运行。能量直接回馈电网,且不受回馈能量大小的限制,则保证了提升机运行时可频繁的停车,启动及换向，节约大量电能。
6）控制精度高、动态性能好。采用全数字、IGBT逆变器变频单元向负载提供变频电源，使所有控制功能均由参数设定完成。直接转矩控制，可实现高动态性能的转速控制、转矩控制。旋转脉冲编码器的使用，可实现提升机的精确定位。
参考文献
1 ABB-ACS800硬件手册
2 ABB-ACS800多传动模块手册
3 ABB-ACS800-104逆变器模块硬件手册
4 ABB-ACS800标准应用程序
5 采矿手册
(5). 冶金工业出版社
6 洪晓华，陈军. 矿井运输提升.中国矿业大学出版社
7 天津电气传动设计研究所，电气传动自动化技术手册
8 许实章. 电机学. 机械工业出版社
