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摘要：为使绞车电控系统达到安全可靠、高效节能的目的，本文试通过对绞车交流电控系统存在的问题分析，阐述了变频调速是绞车电力拖动系统的发展方向。从采用交流变频电控系统的基本原理、功能以及所具有的各种保护、达到的指标，介绍交流变频电控系统在绞车的安全运行性能、节能等方面作用。
关键词：绞车拖动 GBP系列高压变频器 实践应用
20世纪以前，我国矿井提升机控制系统多数采用模拟直流电控调速和绕线式异步电动机转子串电阻调速、串级调速、笼型异步电动机变极调速、串电抗调速等，但异步电动机转子串电阻调速、串级调速、笼型异步电动机变极调速、串电抗调速都存在调速不平滑、效率低、不经济等缺点。随着科学技术的进步、大功率电子技术的发展，变频调速以优异的调速和起制动性能，安全可靠、高效率、适用范围广、节电效果好等优点被国内外公认为最有发展前途的调速方式，近10年来在矿井绞车控制系统中得到了广泛应用。
一、鹤矿集团提升绞车拖动控制系统发展现状
鹤矿集团现有提升绞车采用异步电动机转子串电阻调速方式占提升绞车总数的一半以上，这些电控系统有老式模拟控制的TKD系统和近几年改造的工业控制机控制及PLC控制的电控系统，改造的电控系统在安全性能方面和控制先进性方面得到了很大的提高，但调速方式仍然为转子串电阻调速，存在调速不平滑、效率低、不节能等缺点。
目前，鹤矿集团公司富力煤矿暗井2米绞车的电控系统选型就是充分考虑到绞车的具体工况，以安全性、可靠性、节能、技术先进性等条件为出发点，对交流转子串电阻调速、串级调速、变频调速等进行了综合对比，结果变频
调速存在着明显的优点。最后采用焦作市明株自动化工程有限责任公司生产的GBP-H系列大功率高压变频器。
二、GBP-H系列变频器特性
GBP-H系列变频器采用先进的功率单元串联叠波、矢量控制、源逆变能量回馈技术，新颖的全中文操作界面，可靠性高，性能好，操作简便，实现了四象限运行、带能量反馈、动态响应快、低速运行转矩大等优点。
1、输入质量高。输入侧隔离变压器二次线圈经过移相，为功率单元提供电源，对6kV而言相当于36脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波（尤其是低次谐波）的产生。变频器额定输入功率因数大于0.97，无需功率因数补偿电容；减少无功输入，降低供电容量。
2、输出性能好。单元串联脉宽调制叠波输出，6KV系列每相5个或者6个单元，大大削弱了输出谐波含量，输出波形几近完美的正弦波，与其他形式的高压大容量变频器比较具有以下优点：无需输出滤波装置；可以驱动普通高压电动机，而不会增加电机温升，降低电机容量；电机电缆无任何长度限制；保护电机绝缘不受dv/dt应力损害；不会因为谐波力矩而降低设备使用寿命。
3、用户界面好。GBP变频器采用全中文LCD显示，面板轻触按钮直接操作，易学易用。大屏幕显示，可对多组参数进行设置，没有烦琐的参数代码号，参数设置准确、直观、便捷；运行参数同屏显示，状态显示，可记录保存多达十个历次故障。
5、效率高、可靠性好。额定工况下，系统总效率高达96%以上，其中变频部分效率大于98%；功率单元模块化结构，可以互换，维护简单；限流功能；输出电压自动调整；宽广的输入电压范围，更适合国内电网条件；
三、变频器工作原理
1、主电路 GBP-H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。由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6kV，而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。GBP变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，具有很高的可靠性。
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变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准5%要求，并且能保持接近1的输入功率因数。如下图为6kV系列（每相六单元串联）输入电流实录波形，近乎完美的正弦波。
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。如额定输出580VAC功率单元六个串联时产生3450V相电压，线电压6000V。
2、功率单元 功率单元原理如图所示，输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。
功率单元通过光纤接收信号，采用矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1～Q4IGBT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Q3或者Q2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2.4。功率单元具有有源逆变能量回馈功能，当电机处于制动状态，电容器上的直流电压达到有源逆变起动的门槛电压时，电源自动起动有源逆变，将电机及其负载的机械能转化为电能，回馈到电网中去。
3、控制系统 控制系统由控制器、IO板和人机界面组成。控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板和一块电源板组成。
四、完善的保护功能
GBP-H系列大功率高压变频电控系统具有如下保护功能：
1、行程保护：有外部过卷，程序内过卷，轴编码器损坏和反转四种；
2、速度保护：有等速段超速，减速段过速，接近井口2m/s限速，速度监视五种；
3、系统保护：有松绳保护，闸瓦磨损，深度指示器失效，制动油过压，润滑油欠压五种；
4、系统附加保护：有工作闸零位，主令零位，脚踏急停，停车信号，信号闭锁，电机过流，制动油超温，润滑油超温八种；
5、其他保护：有过卷切换保护，二级制动保护两种。
应用变频技术虽然初次投资较大，但对改善环境，减轻劳动强度，提高效率效益非常可观，并且在一般情况下三至四年节电的效益，就可收回成本。鹤矿集团还有近一半交流拖动绞车没有实现变频调速，应用变频技术，提高绞车自动化程度，必将为煤矿的安全、高效、节能奠定良好的基础。
关键词：绞车拖动 GBP系列高压变频器 实践应用
20世纪以前，我国矿井提升机控制系统多数采用模拟直流电控调速和绕线式异步电动机转子串电阻调速、串级调速、笼型异步电动机变极调速、串电抗调速等，但异步电动机转子串电阻调速、串级调速、笼型异步电动机变极调速、串电抗调速都存在调速不平滑、效率低、不经济等缺点。随着科学技术的进步、大功率电子技术的发展，变频调速以优异的调速和起制动性能，安全可靠、高效率、适用范围广、节电效果好等优点被国内外公认为最有发展前途的调速方式，近10年来在矿井绞车控制系统中得到了广泛应用。
一、鹤矿集团提升绞车拖动控制系统发展现状
鹤矿集团现有提升绞车采用异步电动机转子串电阻调速方式占提升绞车总数的一半以上，这些电控系统有老式模拟控制的TKD系统和近几年改造的工业控制机控制及PLC控制的电控系统，改造的电控系统在安全性能方面和控制先进性方面得到了很大的提高，但调速方式仍然为转子串电阻调速，存在调速不平滑、效率低、不节能等缺点。
目前，鹤矿集团公司富力煤矿暗井2米绞车的电控系统选型就是充分考虑到绞车的具体工况，以安全性、可靠性、节能、技术先进性等条件为出发点，对交流转子串电阻调速、串级调速、变频调速等进行了综合对比，结果变频
调速存在着明显的优点。最后采用焦作市明株自动化工程有限责任公司生产的GBP-H系列大功率高压变频器。
二、GBP-H系列变频器特性
GBP-H系列变频器采用先进的功率单元串联叠波、矢量控制、源逆变能量回馈技术，新颖的全中文操作界面，可靠性高，性能好，操作简便，实现了四象限运行、带能量反馈、动态响应快、低速运行转矩大等优点。
1、输入质量高。输入侧隔离变压器二次线圈经过移相，为功率单元提供电源，对6kV而言相当于36脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波（尤其是低次谐波）的产生。变频器额定输入功率因数大于0.97，无需功率因数补偿电容；减少无功输入，降低供电容量。
2、输出性能好。单元串联脉宽调制叠波输出，6KV系列每相5个或者6个单元，大大削弱了输出谐波含量，输出波形几近完美的正弦波，与其他形式的高压大容量变频器比较具有以下优点：无需输出滤波装置；可以驱动普通高压电动机，而不会增加电机温升，降低电机容量；电机电缆无任何长度限制；保护电机绝缘不受dv/dt应力损害；不会因为谐波力矩而降低设备使用寿命。
3、用户界面好。GBP变频器采用全中文LCD显示，面板轻触按钮直接操作，易学易用。大屏幕显示，可对多组参数进行设置，没有烦琐的参数代码号，参数设置准确、直观、便捷；运行参数同屏显示，状态显示，可记录保存多达十个历次故障。
5、效率高、可靠性好。额定工况下，系统总效率高达96%以上，其中变频部分效率大于98%；功率单元模块化结构，可以互换，维护简单；限流功能；输出电压自动调整；宽广的输入电压范围，更适合国内电网条件；
三、变频器工作原理
1、主电路 GBP-H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。由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6kV，而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。GBP变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，具有很高的可靠性。
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变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准5%要求，并且能保持接近1的输入功率因数。如下图为6kV系列（每相六单元串联）输入电流实录波形，近乎完美的正弦波。
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。如额定输出580VAC功率单元六个串联时产生3450V相电压，线电压6000V。
2、功率单元 功率单元原理如图所示，输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。
功率单元通过光纤接收信号，采用矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1～Q4IGBT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Q3或者Q2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2.4。功率单元具有有源逆变能量回馈功能，当电机处于制动状态，电容器上的直流电压达到有源逆变起动的门槛电压时，电源自动起动有源逆变，将电机及其负载的机械能转化为电能，回馈到电网中去。
3、控制系统 控制系统由控制器、IO板和人机界面组成。控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板和一块电源板组成。
四、完善的保护功能
GBP-H系列大功率高压变频电控系统具有如下保护功能：
1、行程保护：有外部过卷，程序内过卷，轴编码器损坏和反转四种；
2、速度保护：有等速段超速，减速段过速，接近井口2m/s限速，速度监视五种；
3、系统保护：有松绳保护，闸瓦磨损，深度指示器失效，制动油过压，润滑油欠压五种；
4、系统附加保护：有工作闸零位，主令零位，脚踏急停，停车信号，信号闭锁，电机过流，制动油超温，润滑油超温八种；
5、其他保护：有过卷切换保护，二级制动保护两种。
应用变频技术虽然初次投资较大，但对改善环境，减轻劳动强度，提高效率效益非常可观，并且在一般情况下三至四年节电的效益，就可收回成本。鹤矿集团还有近一半交流拖动绞车没有实现变频调速，应用变频技术，提高绞车自动化程度，必将为煤矿的安全、高效、节能奠定良好的基础。