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概述
孟庄煤矿副井提升系统是矿井生产的重要环节，通过对其电控系统进行技术改造，使系统运行更加稳定、可靠、高效，取得了良好的安全效益和经济效益。
孟庄煤矿副井提升机型号为XKT1×2×1.5B-20单滚筒缠绕式提升机；拖动设备选用JRQ148-8 型电机，单机拖动。于2009年进行过技术改造，电控系统更换GBP-H高压变频控制，进一步提高了电控系统的控制性能和可靠性。
一、 原电控系统概况及存在的问题
孟庄煤矿副井提升机原电控系统为TKD型，存在的最主要问题是：
①提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能差，经常造成停车位置不准确；
②提升机频繁的起动、调速和制动，在转子外电路所串金属电阻上产生相当大的功耗，消耗电能造成能源浪费，金属电阻发热严重导致工作环境温度升高，设备老化加快。
③系统功率因数低，电阻分级切换，采用有级调速，启动电流及切换电流冲击大，设备运行不平稳，引起电气及机械冲击；容易掉道，故障率高；
④控制线路复杂，工作稳定性和可靠性差，缺乏故障诊断功能，排查故障困难，接触器频繁投切，电弧烧伤触点，影响接触器的寿命，设备维修成本较高；
⑤ 该系统的电气控制部分均采用板式结构、高压接触器室，空间体积大、运行噪声高，且所有接线端柱裸露在外，对运行安全造成极大的威胁。
⑥整个控制过程完全依赖工作人员的主观控制，存在安全隐患。
二、 技术改造原则与方案
2.1 技术改造总原则
目前，国内矿用提升机调速系统有直流调速系统和交流调速系统两种。
以晶闸管整流设备为基础的直流调速系统的谐波污染严重，功率因数低，如采用直流调速系统，需将现有提升电机更换为直流电机，相应增加改造成本，而直流电机较交流电机故障率高，维护工作量大且费用高。因此，对电控调速系统进行改造升级不建议采用直流调速系统。
以高压变频器结合PLC为核心的交流调速技术已比较成熟且在部分单位取得了较好的运行效果，可实现正转、反转、牵引、电制动等功能，完全满足提升所需要的四象限运行的负载调速需要。
最后决定采用GBP-H高压变频器交流控制方案。
2.2 技术改造方案
技术改造方案具体内容为：将原有的转子串电阻的调速方式改为变频变压的调速方式，采用专用高压变频器实现。
首先，为保证供电可靠性更换两台电源柜，采用了森源的V-12型断路器、和南自的电机综合保护器，为新电控的安全运行又增加了安全保障。
然后，将原电控拆除换成了GBP-H高压变频设备，GBP-H高压变频调速柜由移相隔离变压器柜、功率单元柜和控制柜三部分组成。变频器采用先进的功率单元串联叠波技术、矢量控制技术、有源逆变能量回馈技术，可靠性高、性能优越、操作简便。可实现四象限运行、带能量反馈、动态响应快、低速运行转矩大的电动机驱动特性。
三、工作原理
3.1主电路
GBP系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。GBP系列变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用当今变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。
变压器原边输入为变频器相应电压等级电压，Y形接法；副边绕组数量依变频器电压等级及整机结构而定，采用延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。
为了最大限度地抑制输入侧谐波含量，同一相的副边绕组通过延边三角形接法移相，绕组间的相位差由下式计算：
60º
移相角度= ——————
每相单元数
由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以GBP系列变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准5%的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。图3.1.1为6kV系列（每相六单元串联）输入电流实录波形，几近完美的正弦波。
图3.1.1输入电流波形
变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到，表1列出了GBP系列变频器功率单元配置。
表1：GBP-H系列变频器功率单元配置
相输出Y接，中性点悬浮，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。图3.1.2为6kV变频器系列的电压叠加示意图。
图3.1.2 GBP-H-6kV电压叠加图
图3.1.2为六个580VAC功率单元串联时，每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形示意图，可以得到﹢6～0～-6共13个不同的电平。增加电平的同时，每个电平的电压值大为降低，从而减小了dv/dt对电机绝缘的破坏，并大大削弱了输出电压的谐波含量，图3.1.3为6kV六单元变频器输出的Uab线电压波形实录图。因为电机电感的滤波效果，输出电流波形更优于电压波形，图3.1.4即为输出电流Ia的实录波形图。电压等级数量的增加，大大改善了变频器的输出性能，输出波形几乎接近正弦波。
图3.1.3 输出线电压波形
图3.1.4 输出电流波形
3.2功率单元
四象限功率单元，原理图见图3.2.1，采用通过光纤接收信号，正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q1和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为1；当Q2和Q3导通时，L1和L2的输出电压状态为-1；当Q1和Q2或者Q3和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为0。输出电压波形见图3.1.3。
图3.2.1GBP-H系列功率单元主电路图
四象限功率单元与单相限功率单元相比，主要是整流部分的结构组成和原理有所不同，输入电源端R、S、T接电抗器三相输出端，电抗器三相输入接变压器二次线圈的三相低压输出，整流部分既可以為直流环节提供电能，又可以将直流环节多余的电能输送到电网。
3.3控制系统
控制系统由控制器、PLC控制盘和人机界面组成。
控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板，一块从控板，一块电源板和一块母板组成。光纤板通过光纤线与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制（PWM）信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。
信号板采集变频器的输入输出电压、电流信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护，以及提供给主控板数据采集。
主从控制板采用DSP，完成对电机控制的所有功能，运用正弦波压频控制方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通讯口与人机界面主控板进行交换数据，提供变频器的状态参数，并接受来自人机界面主控板的参数设置。
人机界面为用户提供友好的操作界面，负责信息处理和与外部的通讯联系，采用了上位机监控而实现变频器的网络化控制，利用上位机可以实现PLC程序更改、运行过程监控。通过主控板和PLC控制盘通讯来的数据，计算出电流、电压、运行频率等运行参数，并实现对电机的过载、过流告警和保护。
PLC控制盘用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。
四、性能分析
⑴充分发挥了PLC的数字化、网络化及计算功能，使提升机具有更完善的软硬件保护功能，各主要保护实现双线制。
⑵生产效率进一步提高能，可靠的按系统设计的最短时间加、减速，显著缩短了一次提升时间，提高了生产效率。
⑶提高了功率因数，降低了无功功率。由于采用了先进的隔离移相变压器技术和电压源型IGBT 逆变技术，在克服了传统变频器对电网的谐波干扰的同时，主传动系统的功率因数将由目前的0.89 提高到0.97 以上，大大提高了设备对电网容量资源的利用率，减少了因无功电流引起的线路损耗。
⑷提高系统运行的可靠性、安全性。由于电压和频率均连续可调，电动机的起动电流可得到有效控制，转矩冲击不再存在，明显地减少原有的有级调速系统容易出现的齿轮箱等设备的机械故障。
⑸系统实现自动化提升，单元串联脉宽调制叠波输出，输出波形几近完美的正弦波，不会因为谐波力矩而降低设备使用寿命。提升机系统安全得以提高，系统能自动高精度地按设计的提升速度图控制提升速度，极大地降低了提升机的操纵难度；减速时电力制动自动减速，提升机司机无需再用施闸手段控制提升机减速，自动减速和停车，避免了减速、过卷事故的发生，消除了安全隐患。
五、效果
改造后，新电控系统的安全性能符合《煤矿安全规程》规定，高压变频技术具有良好的节能效果，调速平稳，高效安全，自2009年5月3日投入运行至今，一直运行良好，未发生一起电气安全事故，为矿山的安全稳定提供了有力保证。
新的GBP-H高压变频器交流控制系统，四象限功率单元整流部分独特的结构组成和原理，提升机上提重物时整流部分可以为直流环节提供电能，提升机下放重物时又可以将直流环节多余的电能输送到电网，节能十分显著，经测算节能30％以上，节能经济效益巨大，值得普及推广。
作者简介：黄东（1973.11.08），男，汉族，安徽淮北人。皖北煤电孟庄煤矿助理工程师、副科长，研究方向为电气自动化及应用。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
孟庄煤矿副井提升系统是矿井生产的重要环节，通过对其电控系统进行技术改造，使系统运行更加稳定、可靠、高效，取得了良好的安全效益和经济效益。
孟庄煤矿副井提升机型号为XKT1×2×1.5B-20单滚筒缠绕式提升机；拖动设备选用JRQ148-8 型电机，单机拖动。于2009年进行过技术改造，电控系统更换GBP-H高压变频控制，进一步提高了电控系统的控制性能和可靠性。
一、 原电控系统概况及存在的问题
孟庄煤矿副井提升机原电控系统为TKD型，存在的最主要问题是：
①提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能差，经常造成停车位置不准确；
②提升机频繁的起动、调速和制动，在转子外电路所串金属电阻上产生相当大的功耗，消耗电能造成能源浪费，金属电阻发热严重导致工作环境温度升高，设备老化加快。
③系统功率因数低，电阻分级切换，采用有级调速，启动电流及切换电流冲击大，设备运行不平稳，引起电气及机械冲击；容易掉道，故障率高；
④控制线路复杂，工作稳定性和可靠性差，缺乏故障诊断功能，排查故障困难，接触器频繁投切，电弧烧伤触点，影响接触器的寿命，设备维修成本较高；
⑤ 该系统的电气控制部分均采用板式结构、高压接触器室，空间体积大、运行噪声高，且所有接线端柱裸露在外，对运行安全造成极大的威胁。
⑥整个控制过程完全依赖工作人员的主观控制，存在安全隐患。
二、 技术改造原则与方案
2.1 技术改造总原则
目前，国内矿用提升机调速系统有直流调速系统和交流调速系统两种。
以晶闸管整流设备为基础的直流调速系统的谐波污染严重，功率因数低，如采用直流调速系统，需将现有提升电机更换为直流电机，相应增加改造成本，而直流电机较交流电机故障率高，维护工作量大且费用高。因此，对电控调速系统进行改造升级不建议采用直流调速系统。
以高压变频器结合PLC为核心的交流调速技术已比较成熟且在部分单位取得了较好的运行效果，可实现正转、反转、牵引、电制动等功能，完全满足提升所需要的四象限运行的负载调速需要。
最后决定采用GBP-H高压变频器交流控制方案。
2.2 技术改造方案
技术改造方案具体内容为：将原有的转子串电阻的调速方式改为变频变压的调速方式，采用专用高压变频器实现。
首先，为保证供电可靠性更换两台电源柜，采用了森源的V-12型断路器、和南自的电机综合保护器，为新电控的安全运行又增加了安全保障。
然后，将原电控拆除换成了GBP-H高压变频设备，GBP-H高压变频调速柜由移相隔离变压器柜、功率单元柜和控制柜三部分组成。变频器采用先进的功率单元串联叠波技术、矢量控制技术、有源逆变能量回馈技术，可靠性高、性能优越、操作简便。可实现四象限运行、带能量反馈、动态响应快、低速运行转矩大的电动机驱动特性。
三、工作原理
3.1主电路
GBP系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。GBP系列变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用当今变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。
变压器原边输入为变频器相应电压等级电压，Y形接法；副边绕组数量依变频器电压等级及整机结构而定，采用延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。
为了最大限度地抑制输入侧谐波含量，同一相的副边绕组通过延边三角形接法移相，绕组间的相位差由下式计算：
60º
移相角度= ——————
每相单元数
由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以GBP系列变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准5%的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。图3.1.1为6kV系列（每相六单元串联）输入电流实录波形，几近完美的正弦波。
图3.1.1输入电流波形
变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到，表1列出了GBP系列变频器功率单元配置。
表1：GBP-H系列变频器功率单元配置
相输出Y接，中性点悬浮，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。图3.1.2为6kV变频器系列的电压叠加示意图。
图3.1.2 GBP-H-6kV电压叠加图
图3.1.2为六个580VAC功率单元串联时，每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形示意图，可以得到﹢6～0～-6共13个不同的电平。增加电平的同时，每个电平的电压值大为降低，从而减小了dv/dt对电机绝缘的破坏，并大大削弱了输出电压的谐波含量，图3.1.3为6kV六单元变频器输出的Uab线电压波形实录图。因为电机电感的滤波效果，输出电流波形更优于电压波形，图3.1.4即为输出电流Ia的实录波形图。电压等级数量的增加，大大改善了变频器的输出性能，输出波形几乎接近正弦波。
图3.1.3 输出线电压波形
图3.1.4 输出电流波形
3.2功率单元
四象限功率单元，原理图见图3.2.1，采用通过光纤接收信号，正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q1和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为1；当Q2和Q3导通时，L1和L2的输出电压状态为-1；当Q1和Q2或者Q3和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为0。输出电压波形见图3.1.3。
图3.2.1GBP-H系列功率单元主电路图
四象限功率单元与单相限功率单元相比，主要是整流部分的结构组成和原理有所不同，输入电源端R、S、T接电抗器三相输出端，电抗器三相输入接变压器二次线圈的三相低压输出，整流部分既可以為直流环节提供电能，又可以将直流环节多余的电能输送到电网。
3.3控制系统
控制系统由控制器、PLC控制盘和人机界面组成。
控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板，一块从控板，一块电源板和一块母板组成。光纤板通过光纤线与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制（PWM）信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。
信号板采集变频器的输入输出电压、电流信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护，以及提供给主控板数据采集。
主从控制板采用DSP，完成对电机控制的所有功能，运用正弦波压频控制方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通讯口与人机界面主控板进行交换数据，提供变频器的状态参数，并接受来自人机界面主控板的参数设置。
人机界面为用户提供友好的操作界面，负责信息处理和与外部的通讯联系，采用了上位机监控而实现变频器的网络化控制，利用上位机可以实现PLC程序更改、运行过程监控。通过主控板和PLC控制盘通讯来的数据，计算出电流、电压、运行频率等运行参数，并实现对电机的过载、过流告警和保护。
PLC控制盘用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。
四、性能分析
⑴充分发挥了PLC的数字化、网络化及计算功能，使提升机具有更完善的软硬件保护功能，各主要保护实现双线制。
⑵生产效率进一步提高能，可靠的按系统设计的最短时间加、减速，显著缩短了一次提升时间，提高了生产效率。
⑶提高了功率因数，降低了无功功率。由于采用了先进的隔离移相变压器技术和电压源型IGBT 逆变技术，在克服了传统变频器对电网的谐波干扰的同时，主传动系统的功率因数将由目前的0.89 提高到0.97 以上，大大提高了设备对电网容量资源的利用率，减少了因无功电流引起的线路损耗。
⑷提高系统运行的可靠性、安全性。由于电压和频率均连续可调，电动机的起动电流可得到有效控制，转矩冲击不再存在，明显地减少原有的有级调速系统容易出现的齿轮箱等设备的机械故障。
⑸系统实现自动化提升，单元串联脉宽调制叠波输出，输出波形几近完美的正弦波，不会因为谐波力矩而降低设备使用寿命。提升机系统安全得以提高，系统能自动高精度地按设计的提升速度图控制提升速度，极大地降低了提升机的操纵难度；减速时电力制动自动减速，提升机司机无需再用施闸手段控制提升机减速，自动减速和停车，避免了减速、过卷事故的发生，消除了安全隐患。
五、效果
改造后，新电控系统的安全性能符合《煤矿安全规程》规定，高压变频技术具有良好的节能效果，调速平稳，高效安全，自2009年5月3日投入运行至今，一直运行良好，未发生一起电气安全事故，为矿山的安全稳定提供了有力保证。
新的GBP-H高压变频器交流控制系统，四象限功率单元整流部分独特的结构组成和原理，提升机上提重物时整流部分可以为直流环节提供电能，提升机下放重物时又可以将直流环节多余的电能输送到电网，节能十分显著，经测算节能30％以上，节能经济效益巨大，值得普及推广。
作者简介：黄东（1973.11.08），男，汉族，安徽淮北人。皖北煤电孟庄煤矿助理工程师、副科长，研究方向为电气自动化及应用。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。