尹新华
（华阳集团七元煤业有限责任公司，山西 晋中 045400）
我国较大的煤炭产量依赖于先进的采煤机械，矿井提升机作为煤炭掘进工作的重要输送设备，其承担着将煤炭从井下运至地面的重任[1-3]。矿井提升机的负载位势负载，为了保证其安全可靠启停，需要有较大的调速范围，实现传动装置的四象限平滑运行[4]。矿井提升机变频调速系统性能的好坏直接关系着煤矿企业的生产效益和安全，必须引起高度重视[5]。交-直-交变频调速系统的出现，在调速性能、节能、“绿色”变频等方面表现出明显的优势，具有很好的应用前景。因此，针对某煤矿企业矿井提升机变频调速系统的需求现状，开展交-直-交变频器在矿井提升机中的应用具有重要的意义。
某煤矿提升机的提升系统形式为多绳摩擦轮式结构，提升效率约为0.6 Mt/年，提升行程约为740 m，井口轨面的标高尺寸约为38.5 m，井底巷道轨面的标高尺寸约为-702 m；
矿井提升机的矸石提升量约为60 kt/年，材料量约为30 kt/年，提升机工作时的最大提升器件为液压支架，提升质量约为14.5 t，外形尺寸为5 869 mm×1 430 mm×1 700 mm；
矿井提升机年平均工作时间为330 d，每天工作时间不少于16 h，执行四班三运转模式。矿井提升机的电动机型号为TBP1000-16，属于低速直联变频调速同步电动机，电机的额定功率为1 000 kW，额定转速为50 r/min，提升过程中的安全系数为2，使用的额定电压为1 140 V，冷却方式采用强迫风冷。
矿井提升机的驱动电机为励磁同步电动机，其额定工作频率为1 000 kW，要求变频调速系统能够实现电动机连续平滑调速功能。因此，结合矿井提升机的实际工况，选择矢量控制形式，采用大功率三电平变换器实现变频调速，控制系统结构如图1所示。矿用提升机的电动机变频调速系统电网一侧的电压等级为6 kV，配置了高压真空柜，以实现配电线路的保护与运行的安全。矿井提升机调速系统涉及进线柜1台，定子变压器馈能柜1台，辅助变压器馈能柜1台。
图1 提升机三电平变频控制系统
矿井提升机变频驱动装置设计的依据为同步电动机的参数，再次确定同步电动机的基本参数：额定功率为1 000 kW、额定电压为1 140 V、额定电流为676 A、满载励磁电压为70 V、满载励磁电流为490 A。基于上述电动机参数，开展以下选型设计内容。
3.1 变压器容量
根据交-直-交变频调速控制系统的需求，参照直流母线电压值，选择设计整流侧变压器，确定变压器的型号为1 250 kVA，变比为6 kV/1 000 V，能够满足矿井提升机变频调速系统对于变压器容量的要求。结合实际供电情况，变压器选择D/Y-11接线方式，有利于提高系统供电的稳定性。
3.2 IGBT选型
变频调速系统中的IGBT选型的依据包括负载的额定电流、过载倍数、直流母线电压等，一般系统设计按照2倍过载倍数计算。为了降低IGBT模块的关断电压尖峰数值，实际应用时多将变频器的IGBT模块和直流电容置于叠层母排位置。此处IGBT选择Infineon公司生产的、型号为FF1400R17IP4的模块，其额定电压为1 700 V，额定电流为1 400 A。如图2所示，给出了模块的封装结构图，其中涉及两个IGBT串联结构，每个IGBT反并联有续流二极管。与此同时，模块内部封装有热敏电阻，便于IGBT模块内部温度的检测。
图2 IGBT模块封装结构
3.3 整流侧电抗器选型
变频调速系统电网一侧的电阻器能够很好地抑制谐波，避免其影响电网正常供电，也能够很好地满足系统电流瞬态跟踪的性能要求。根据交直交变频系统对于整流侧电抗器的要求，选择了L-0.7 mH的电抗器，其工作时的额定电压为1 000 V。
3.4 直流母线电容选型
系统直流母线电容经过RC放电一个时间常数之后电容储存的电压降低为原来的36.8%，则时间常数t=RC。根据变频调速系统的要求，电流内环参数调节完成，电流需要在3～5个调节周期内到达给定数值，外环电流响应需要较长的时间，需要配置响应的电感器才能保证其响应性能。直流母线电容实际使用过程中，为了降低直流侧电压波动和谐波，需要选取容量数值较大的电容，通常按照计算电容数值的3倍选择电容，此处选择3 707 μF的电容，满足变频调速系统的要求。
3.5 检测元件选型
矿井提升机变频控制系统中三电平变频器整流侧选择了可控整流模式，应用双闭环控制方法，电压的外环完成直流母线电压数值的调控，内环用于控制电流，检测系统电流的反馈信号，故而需要配置电流传感器。结合多年的工作经验，可以依据进线电流的1.5～2倍确定电流传感器，选择LF2005-S型电流传感器即可满足变频控制系统的要求。
对比两电平变频器和三电平变频器，直流侧均存在上下两个电容，变换器工作过程中，两种换流回路各自对上下电容放电，很可能出现上下电容电压不均的情况，必须引入中点电位平衡控制技术。电压传感器能够实现上下电容电压的监测和电位平衡控制，电压传感器选型需要考虑直流母线电压，结合调速系统的实际需求，确定选择2个型号为TY-LMDY-3-A-1000V的电压传感器和1个型号为DVL2000的电压传感器。
3.6 励磁变压器选型
矿井提升机驱动电机为同步电动机，其工作时的额定励磁电压数值为70 V，额定励磁电流数值为490 A，设计了可控硅整流电路为其提供电力。励磁变压器作为硅整流电路的电力来源，其性能直接关系着整个变频系统的稳定性，必须引起高度重视。结合实际变频控制系统的需要，励磁变压器的容量选择为250 kVA，选择6 kV/0.3 kV的变比，接线方式为DY11。
3.7 充放电电阻选型
变频调速系统中的三电平PWM整流电路，需要配置充电电阻以防止系统中过大的充电电流烧毁器件，由整流侧变压器二次侧电压设计值为1 000 V，要求此线路中的充电电阻能够耐高于1 000 V的电压。结合工作经验，选择充电电阻的功率为200 W，阻值为50 Ω，同时，还选择了功率为500 W，放电电阻为10 kΩ的放电电阻，以便合理控制放电时间。
为了验证交-直-交变频器在矿井提升机中的应用效果，将搭建完成的变频调速控制系统应用于矿井提升机中进行试运行，跟踪记录运行情况。结果表明，变频调速系统运行稳定可靠，实现了矿井提升机变频控制的要求。统计结果显示，提升机配置变频系统之后，达到了提升机重载高功率工作、轻载低功率工作的目的，大大降低了提升机的电能消耗，减缓了结构件的磨损，减少了材料消耗，提高了提升机的有效利用率，节约了煤炭采掘成本，取得了很好的应用效果。
矿井提升机作为煤炭掘进过程中的关键输送设备，其具有工作时间长、服役条件差等特点，运行能耗较大。针对某煤矿企业矿井提升机变频调速系统的需求现状，开展交-直-交变频器在矿井提升机中的应用研究。结果表明，系统运行稳定可靠，实现了矿井提升机变频控制的要求。变频系统在矿井提升机中的应用，相较于应用之前，重载高功率和轻载低功率模式下工作，大大降低了提升机的电能消耗，减缓了结构件的磨损情况，减少了材料消耗，提高了提升机的有效利用率，节约了煤炭采掘成本，该变频系统具有很好的应用前景。
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