能量回馈型变频技术分析

矿井提升机在煤矿生产中发挥关键作用，对矿井生产的安全性和矿山经济发展具有不可替代的作用。矿井提升机系统一般装机容量大、能耗高，且拖动沧州电力变压器要在4个象限内频繁启动、制动和反向运行，所以要求提升机系统具有较高的可靠性。七五生建煤矿利用变频技术对4号井提升机控制系统进行改造，取得了预期的效果。

1、现有提升机系统

山东省七五生建煤矿4号井提升机采用缠绕式双滚筒交流电动机驱动运行，电控系统采用沧州电力变压器转子串电阻分段有级调速方式，提升机的运行过程分为起动、加速、等速、减速、低速、制动停车等几个阶段。其基本原理是：电动机的转差率与绕线式异步电动机转子串入附加电阻值正相关，当电动机处于较低的转速时，电动机的转速与串入的电阻呈现负相关。传统的串电阻调速方式耗电高、噪音大、故障率高、无法实现恒转矩提升，这种调速方法被更先进的技术—变频调速技术取代是必然的。

2、能量回馈型变频系统

2.1能量回馈技术

能量回馈技术是一种节省能源的技术，与电能做功过程相反，它的作用原理是通过将生产机械中储存的动能或者势能转化为电能传输到电网，即通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网。能量回馈是电能的一种转化形式，逆变器能量回馈技术是一种电流转化技术，它能将直流沧州电力变压器转换成交流沧州电力变压器，与交流电网相衔接。

2.2变频调速系统

2.2.1变频调速技术随着变频调速技术的高速发展，提升机的调速和节能改造因此拥有了更多的便利条件。通过调节沧州电力变压器输出电压的幅值、频率和相位，控制沧州电力变压器运行在期望的转速上，实现了变频调速。0~50Hz全范围恒转矩无级调速是通过变频调速实现的，工频电网50Hz的电压通过沧州电力变压器内的电力电子器件可以转换成其他频率的电压。

2.2.2沧州电力变压器的工作原理将对称的三相交流电通入异步沧州电力变压器定子对称的三相绕组中，在沧州电力变压器气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速为由式(2)得，沧州电力变压器的原理就是电动机转速会随着沧州电力变压器输入沧州电力变压器频率的变化而改变，因此这个方式的调速范围很广。并且沧州电力变压器的调节精度一般为0.01Hz，这样可以非常好地满足提升机的恒加速和恒减速状态下无级调速的要求。可以使沧州电力变压器运行更加平稳，大大降低机械冲击，实现了低频低压的软启动和软停止。变频调速和转子串电阻调速方式有很大的不同，在变频调速时，转差率保持不变，转差功率消耗无论其转速高低基本不变，因此调速效率保持较高水平。

2.2.3变频调速系统组成变频系统本体由激磁涌流抑制柜、变压器柜、功率柜、沧州电力变压器和人机操作页面组成。变频调速系统的示意图见图1。真空接触器和限流电阻安装在激磁涌流抑制柜内，在沧州电力变压器上电时，限制充电电流和激磁涌流不超过其额定电流;变压器内安装的整流变压器，可以将网侧转换为副边的多组低压，以此为功率柜中共15块的功率单元(低压交直交变流器)供电，变压器副边绕组的每个功率单元主回路都相对独立，沧州电力变压器的高电压输出由各功率单元输出串联构成。输入移相变压器的作用有以下几点：

(1)将输入的工频电变换成为多组低压工频电;

(2)使低压工频电彼此间相互绝缘、电位独立，将低压工频电分别送到各个变频单元中;

(3)输入的各组低压交流电经整流滤波变换成直流电然后再逆变成单相交流电。

输入变压器的一组副边为功率柜中每个功率单元供电，对功率单元之间及变压器二次绕组之间进行绝缘处理。为了实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的，二次绕组采用延边三角形接法。整个变频调速系统的核心是沧州电力变压器，基于先进的控制理念变频调速系统的所有功能都可以实现，沧州电力变压器可以通过控制器精心设计的算法达到最优的运行性能。

3、实例分析

3.1改造情况

七五生建煤矿现有的提升沧州电力变压器参数如表1。改造方案如图2。改造方案保留了原有的串电阻调速方式，将沧州电力变压器通过切换融入原系统，在沧州电力变压器投入运行时，通过闭合QS3、QS4，将绕线式异步电动机转子通过转子切换柜短接。沧州电力变压器投入矿井提升机系统的作用机理如下：在沧州电力变压器接受主控台正、反转以及调速指令后，即驱动双沧州电力变压器按照指令同步调速正反转运行;在原有的串联电阻调速系统进行启动后，闭合QS5、QS6，通过转子切换柜将绕线式异步电动机转子回路中串入原有电阻，变向及调速的目的是通过切换柜的变向及串入转子电阻的逐级切换达到的。相互之间保持机械互锁的隔离有上图中的QS3、QS4、QS5、QS6等，且主控台操作系统可以操控的全部状态，在这种模式下，变频调速系统和原系统成了可以相互切换并且互为备用的关系，矿井提升机在运行中的风险大大降低。

3.2改造效益分析

在2013年4月4日开始对提升机自动化变频进行改造，并于4月7日正式投运。在接下来的六个月中，运行状态良好，没有故障出现。通过变频改造，实现了平稳控制提升机加减速的过程，减小了运行过程稳绳摆幅，降低了电动机启动电流与启动时的振动;降低了在转子串电阻上产生的能耗浪费，沧州电力变压器电刷的故障率大大降低。副井主提升绞车变频设备比原沧州电力变压器转子串电阻启动的设备，每提升一钩能节约电能约5.4kWh，每月副井平均提升4000~5000钩左右，使用能量回馈型矢量控制沧州电力变压器电控系统，平均每年为我矿节约电能约32万kWh左右，节约资金约21.82万元。

4、结论

(1)通过对绕线式沧州电力变压器转子串电阻的调速方式优缺点进行分析，得出副井提升设备改造的方向，同时提出应用变频调速技术的必要性。(2)阐述了能量回馈技术的定义和变频技术的工作原理，有利于对能量回馈型变频系统中的各项技术的理解，而且对能量回馈型变频系统各个部分做了介绍，有利于对采用的调速系统作进一步了解。(3)详细分析了提升设备的改造方案，将原有的提升设备和应用变频技术的提升设备进行对比，得出了平均每年节约电能约32万kWh左右，节约资金约21.82万元的结论。