四象限变频器理论分析及在副井提升机的应用实践

四象限变频器理论分析及在副井提升机的应用实践

皇世豪

（广州智光电气股份有限公司，广东，广州，510760)

摘要：本文旨在说明四象限变频技术的结构框架、理论分析及市场范围，并着重介绍了广州智光电气四象限变频器在副井提升机中的应用实践，围绕大功率工业系统的应用实践来阐述四象限变频器不同于传统工业上使用的两象限变频器。对四象限变频器的拓扑结构作了简单说明，因半控桥和有续流二极管的电路，整流电压Ud不能出现负值，并且不允许直流侧出现负极性，故四象限变频器采用了绝缘栅型双极晶体管IGBT来构成不同于传统变频器的整流模块，来实现主回路负载提升机工作在斜井时实现的能量双向流动，在将电动机制动产生的能量反馈回电网的同时，还在极大程度上改善了网侧输入功率因数和传统变频器二极管整流所产生的网侧谐波以及dv/dt很小的特点。本文结合现场四象限变频器的实际现场应用来介绍其理论分析及应用特点！

关键字：四象限　煤矿提升机  滤波  结构拓扑   智光变频

1、应用现场介绍

华亭煤业集团成立于2002年4月24日，是甘肃省目前**的国有现代化大型煤炭企业，矿区煤炭总面积134平方公里，煤炭地质储量33.7亿吨，是国家规划的13个大型煤炭基地黄陇极地的骨干矿区之一。矿区煤炭品质优良，具有高发热量、高挥发量、高化学活性及低硫、低磷、低灰等“三高三低”的特点。华亭煤业集团拥有三个控股子公司、三个全资子公司、三个分公司和马蹄沟煤矿、山寨煤矿等二级单位，本设备应用现场为山寨煤矿，地处甘肃省平凉市策底镇街道，华亭县城西北部，山寨煤矿矿井天平均走向3.00km，平均井斜3.431km,井田面积10.2947km,矿井保有地质储量21868.3万t,可采储量15307.8万t。

 山寨煤矿于2003年4月进行矿井改扩建，该项目由甘肃省发展改革委员会以甘发改能源（2006）889号文件核准，2003年1月由  煤炭工业太原设计研究院设计，由甘肃省煤业建设第一工程承建，2010年6月竣工验收。主井井筒斜长756m，倾角16°，1350胶带大巷共安装一台STJ1000/2×560S型胶带输送机，运输能力800t/h，带宽1000mm，带强3150N/mm,带速3.3m/s,电机功率560KW。本次四象限变频器应用负载为其副井提升系统，副井安装一台GKT3×2.2-20型单滚筒绞车，井筒倾角23°，提升长度565m，滚筒直径3m。宽度2.2m，提升**速度3.8m/s,**静张力130KN。钢丝绳直径37mm，电动机功率450KW，额定电压6kv,主要负责运输物料、升降人员等矿井辅助提升任务。井下辅助运输采用轨道运输，主要辅助运输线路采用30Kg/m的矿用钢轨，全长度2600m。

2、四象限变频器结构理论分析

2.1、四象限变频器简介

四象限变频中四象限主要是指其能够运行在具有机械特性曲线所建立的数学模型的数轴之上四个象限，也即是第一象限正转电动状态，第二象限回馈制动状态，第三象限反转电动状态，第四象限反接制动状态。应用的负载主要是具有机械位势负载特性的工业化现场，例如煤矿提升机、油田磕头机、离心机、以及牵引机等负载上。

2.2、四象限变频器主电路结构拓扑

在常规单元串联多电平型高压变频器（1）的基础上进行改进，以10kV 8级串联系统为例，电源侧采用移相变压器构成的48重化，供八级单元体电压的输入（4），单元输出采用级联模式。变压器副边绕组输出通过错开一定的相位角，有效的降低电网侧谐波的污染，n次谐波含有率降低为n=48k±1次，k为自然数。式中已经不含有低次谐波，高次谐波虽然依然存在，但是高次谐波的幅值大大降低。功率单元体的输入侧和移相变压器之间安装有交流电抗器，各个功率单元整流桥回路部分由全控型器件IGBT构成（2），在三相移相变压器的输入侧加上电压互感器PT（5），PT端二次侧电压通过中间隔离变压器加在单元体上作为电压相位检测回路（6），包括其一次连接的同步整流、过流比较电路、锁相环电路。下图为四象限变频器主电路结构图：

                           图1 四象限变频器主电路结构图

2.3、全控功率单元主结构拓扑

功率单元整流桥采用全控性整流器件IGBT，中间为储能环节，逆变为IGBT全逆变桥输出两相。当设备工作在第一、三象限，能量正向流通，输入电压通过整流桥整流经过直流存储环节逆变为可供输出的交流电压。二四象限工作时，整流侧的能量回馈控制部分动作，通过控制逆变电压相位和幅值，最终实现将直流逆变成交流，将能量回馈到电网。电机能耗反馈回来的能量是通过逆变侧的续流二极管向直流母线流动，通过单元输入实现逆变。

                          图2  全控功率单元主结构拓扑图

2.4、相位检测功能实现

相位检测环节如图所示，实现移相变一次侧电压的相位检测功能。采样移相变压器原边电压通过PT采样二次侧接入隔离变压器一次，隔离变二次通过同步整流电路在单元内部进行检测，通过过零比较电路以及锁相电路保证移相变原边电压相位及移相变压器的二次相位与电网输入同相，单元输入侧正相位并联并网电感，实现电机侧向电网侧的电压反馈。

                   图3  检测功率单元相位原理图

3、副井提升机的工艺需求

3.1、电机铭牌参数

 表1 电机铭牌参数

3.2、副井提升机运行工况

在井下565米开始加速至0.5m/s匀速运行，到520米处加速至0.8m/s，运行至430m处全速运行至3.4m/s,一直运行至60m处减速到0.5m/s，20m以下0.2m/s运行最后停车。反向以同样的方式加减速运行，控制后台回路为上海电光的电控系统。上拉过程中最多挂6辆小车，载重约为15吨，下放过程最重为23吨左右。电动牵引系统不能完全实现四象限运行，在斜井提升机中必须提供可靠的制动力来克服下放或者上拉停止所产生的由自重或惯性引起的下滑力。电控系统画面如下图所示：

图4  副井提升机系统画面图

     上拉下放过程由于负载可能出现在25吨物料以下的所有范围内，变频系统需提供给电机足够的启动力矩，并尽可能的将加速时间缩短至20s以下，启动保持时间需控制在3s以下。运行开始前需要将电机风机冷却系统、制动泵、液压站润滑泵全部启动保证基本的运行制动条件。运行时松开制动抱闸，通过推动速度连杆来控制绞车的速度。停止时将主令开关复位，变频器需要立即停止输出，推动抱闸连杆动作迅速停止提升机。下放过程中提升机减速，势能开始转化为电动机的动能，电动机工作在第四象限处于反向发电的工作状态。下图5为现场副井提升机电动机和负载图。

                        图5 副井提升机电动机和负载图

3.3、电控系统介绍及技术要求

（1）电控系统介绍：本次矿井提升机的电气控制系统，是由上海电光防爆公司提供的，采用了先进的计算机技术，智能化程度较高。具有先进的自动化控制手段和完善的保护功能，降低了设备的故障率以及设备的检修时间。

（2）系统功能及技术要求：

1、位置控制：包括减速、停车、过卷、同步、钢材长度变化引起的位移变化补偿。

2、运行全程的速度、位置、减速、过卷采用主控PLC和监控PLC互为保护监视。

3、具有故障诊断功能：具有对西门子PLC、高压变频器、现场总线的故障诊断功能。

4、减速校准：在井筒两端设置独立的减速校核开关，用于对重要位置的速度校准。

5、具有防止人为误操作系统。

6、具有三条或者以上的安全回路，且需至少设置一条硬件安全回路保护。

7、PLC操作系统能够完成提升机手动、半自动、检修等各种运行方式的控制。

8、具备按照预定时间或者地点减速或者加速的功能，且能够在出现制动油温高、主电机超温、变频器重故障等问题出现时紧急停车。

9、具备完善的和开关柜以及后台、变频器、电机、开关柜、PLC柜的连锁保护功能。

10、具有PLC硬件和软件的冗余设计，具备多钟通讯接口和多种备用程序及方案。

（3）主安全回路内容

A、主令控制器手柄零位联锁

B、工作闸制动手柄联锁限位开关

C、测速断线保护

D、失压脱扣保护

E、制动油压高继电器

F、错向保护

G、等速超速

J、过卷开关

K、过卷复位开关

L、断轴保护

M、弹簧疲劳开关

N、松绳保护

                       图6 电控系统人工操作控制台

4、四象限变频调速系统应用

4.1、变频现场一次主回路原理图

根据现场工艺和负载实际情况，选用由广州智光提供的容量为630kVA的四象限高压变频，额定电压6kV，额定输出电流60A，变频采用手动一拖一方式，GK为高压带电显示器，R为充电电阻，J1为旁路接触器，充电完成后将充电电阻旁路。K1为刀闸，变频一次主回路原理图如图7所示。

图7 变频一次主回路原理图

4.2、主回路控制方式和功率单元控制

相位检测电源取自隔离变压器的二次，隔离变压器的一次电源取自PT信号。当相位检测电源拔掉后，单元构成两象限运行模式，可按照正常变频器使用。插入电源端子后为四象限运行模式，功率单元交流输入侧串联有并网交流电抗器，也能减少对电网侧的冲击。控制回路分为整流部分控制驱动板和逆变部分控制驱动板，分别对应控制电源1和控制电源2。 单元控制回路以可编程逻辑器件为核心，主控回路为以双数字信号处理器（DSP）和超大规模集成电路可编程逻辑控制器件（FPGA）为控制的核心部分，输入、输出电流通过CT和霍尔传感器进行采样，输入和输出电压信号通过PT和电压检测电阻板实现采样。功率单元和主控制器之间通过光纤来实现通讯，有光电耦合器实现中间环节的传输和AD转换，将所有采集到的信号通过485和232通讯传输至触摸屏或者液晶面板显示成数字量。

图8为单元体外部结构图，光纤接口连接主控制回路的光纤通讯，控制电源1、2为整流和逆变回路及驱动板件提供电源，相位检测端子插上即代表工作在四象限变频状态。单元内部控制回路主要为驱动板，集成了单元内部测温、直流电压检测回路、IJBT的驱动电路以及交流电压检测等功能的处理。单元内部保护装置设置有过压保护、过流保护、锁相保护、驱动保护以及电压误差过大保护。当单元体内部出现故障，驱动板会将故障通过状态指示灯显示给用户，方便查看故障信息。

                               图8 单元体外部构造图

4.3、相位检测功能回馈

因为四象限变频器要实现有源逆变，所以必须保证移相变压器的一次进线为正相序，否则会导致设备过流保护而烧掉单元内部回路。在上高压前需要使用相序检测仪，分别在进线柜和控制柜检测PT二次侧的接线端子保证为正序。相位检测继电器的吸合条件：无电控分高压按钮节点，有高压开入，没有特殊重故障。需要同时满足时方可吸合继电器，实现单元回馈功能，即相位检测继电器KA17会吸合，回馈电压后单元直流电压大概在10S左右直流电压由780V升到880V左右。 UO4和 UO5为PT电压互感器，采样6KV高压进线开关柜输入到变压器一次侧的电压信号然后经过二次侧送给隔离变和控制器，供电压检测和采样。

变频的设备主板程序中已经将主回路的相位检测作为运行条件，程序检测到输入电压的相位如果不是按照A、B、C三相电压各超前90°的相序，控制器则会认为设备故障，不能启动。确保在二、四象限运行时反馈回电网的电压和网侧电压相位一致。图9为电压检测及相位检测继电器。

                             图9 电压检测及相位检测继电器

4.4、四象限变频器现场结构组成

   如图10和图11所示，变频器本体由四大部分构成：进线充电柜、变压器柜、电感柜、功率控制柜。

（1）进线充电柜：将进线6KV电源引入后接入充电电阻，进线充电柜电阻旁路JI接触器原理为：上高压（带电显示器GK闪烁）后3S后合闸旁路电阻，对设备主体完成充电过程后将其旁路。作用是完成对直流母线回路的预充电，避免因高压电送进来时产生的强大的电流冲击而对模块内部造成损坏。

（2）变压器柜：主要放置移相变压器，对二次输出电压进行移相，还有滤除谐波功能。单个功率单元输出为矩形波，移相叠加后输出为接近标准正弦波的电压波形。输出采用的是移相多重化的正弦脉宽技术（SPWM）、无速度矢量控制，实现低输出谐波的效果。

（3）电感柜：作用是一方面在电动状态下实现储能环节，另一方面实现回馈状态下的滤波。其主要的意义跟动态无功补偿中SVG产品的输入电抗作用相同，作为并网电感来使用。回馈装置是外置电抗器结构，接线时需保证电抗器的端子必须与回馈装置上的端子对应。

（4）功率控制柜：包括控制器、PLC等主控核心器件组成。传输过程是光纤传输、编码转换，控制器内部处理采样进来的各类数字量信号以及模拟量信号通过AD转化为小电流信号，再转为芯片可识别的电压信号传递给主控制板来处理，各类用户控制接口和通讯功能供用户端使用。

                       图10  四象限变频器组成

                        图11  四象限变频器现场结构           

4.6、副井提升机减速应用策略

用户开关柜为电保持型开关柜，在送电后变频器的启动信号为点控制型的，即给启动高电平时正转，撤销该信号时为停止。给停止信号高电平时为反转，撤销该电平信号时即为停止信号。在上拉和下放过程中加速过程是由变频器自身控制，电控系统辅助完成，但是减速过程由电控系统控制，所以减速过程必须要满足用户的所有需求，以及配合电控系统的减速和操作台的紧急抱闸尤为重要。为用户制定了除正常停机外的另外三种减速方案，满足用户在不同负载和不同时刻的需求！下图13为用户负载的后台运行曲线图。也明显可以看出设备启动和停止非常频繁，连续工作在短时间的加减速过程中，从高速运转突然减速到零，在较短时间内需要即刻再启动，所以制动时间的节点非常重要。为此指定了不同于正常减速方案的三种不同的减速模式来达到现场的要求。

           
                图13  现场后台运行曲线

（1）第一套减速方案：为折线减速，即以参数设置中的“直流制动频率”中设定的值为第二段减速起始频率，50HZ起至设定值的减速时间执行“减速时间”设定的值，第二段减速的减速时间执行“直流制动时间”设定的值，为该段减速时间。

（2）第二套减速方案：为半手动减速，即当“主令手柄”在满位有手动减速动作的时候，就开始执行第二套减速方案，但是减速的目标频率（减速后运行的速度）为“主令手柄”控制给定。 减速的时间设定为：“直流制动时间”设定的值，为第二套减速方案的时间。

（3）第三套减速方案：为紧急制动，即在运行过程中，遇到紧急情况，直接拉“制动手柄”，将电机和滚筒抱死。

    综合来看，在变频控制系统中设置这三种减速方案可以保证高压电机在高速运转过程中以最安全、最快的方式静止下来，减少了对负载电机减速器的损害，对于具体项目减速方案和时间的把控，应结合具体项目进行减速效果评估。目前现场的减速方案完全满足华亭煤业现场用户对于四象限变频器的“即停即开”的要求，加上日常对变频器的检查维护工作，定能够保证四象限变频器设备在煤矿提升机安全、可靠运行！

5、结束语

    四象限变频器的应用极大程度上的提高了现场的节能效果，在制动过程中减少了能量的流失，并且将制动过程中的能量回馈到电网，达到节能环保的作用，相比于普通变频功能更加优异，节能效果更加明显。并且减少了电网侧的谐波污染，满载功率因数可以接近于1。随着市场上对电机的性能以及能耗方面提出更多层次的要求，四象限变频器未来将能够更好的服务于各个工业领域！

参考文献：

[1] 电力电子技术第5版.王兆安 刘进军主编，机械工业出版社。

[2] ZINVERT系列高压变频调速系统培训教材.广州，广州智光电气股份有限公司。

[3]模拟电子技术基础.西安交通大学电子学教研组编.杨栓科 主编。

[4]具有四象限运行功能的高压变频器专利.广州，广州智光电气股份有限公司

[5]浅谈变频器在采煤机调控中的应用.科技与企业，高桂超。

作者简介：

皇世豪，男，陕西渭南人，现就职于广州智光电气股份有限公司，从事高压变频调速相关专业的现场维护服务工作。