【導讀】礦井提升機由電機帶動機械設備，以帶動鋼絲繩從而帶動容器在井筒中升降，完成輸送任務。現代的礦井提升機提升量大，速度高，安全性高，已發展成為電子計算機控制的全自動重型礦山機械。礦井提升有主井提升和副井提升之分，主引提升的作用是沿井筒提升有益礦物（如煤炭等），礦井提升機主要由電動機、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動系統、深度指示系統、測速限速系統和操縱系統等組成，采用交流或直流電機驅動。
原副井提升機系統采用交流電動機轉子回路串電阻調速，JD-BP37-280T型（280KW/6KV）高壓提升機變頻器，對副井提升機系統進行系統改造。交流電動機，是將電能轉變為機械能的一種機器。交流電動機主要由一個用以產生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉電樞或轉子組成。電動機利用通電線圈在磁場中受力轉動的現象而制成的。交流電動機由定子和轉子組成，并且定子和轉子是采用同一電源，所以定子和轉子中電流的方向變化總是同步的，即線圈中的電流方向變了，同時電磁鐵中的電流方向也變，根據左手定則，線圈所受磁力方向不變，線圈能繼續轉下去。交流發動機就是利用這個原理而工作的。
1、原礦井提升機系統概述
1.1 系統參數
1.1.1 礦用提升機
1.1.2 減速器
1.1.3 三相異步電動機
1.2 交流電動機轉子回路串電阻調速系統
在加速過程中，交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4逐級吸合，轉子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。如果要求電動機低速運行，則需在轉子回路串較大電阻。為了解決減速段的負力要求，通常采用動力制動方案，即將定子側的高壓電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施加低頻電源，讓電動機工作在發電伏態。交流接觸器是廣泛用作電力的開斷和控制電路。它利用主接點來開閉電路，用輔助接點來執行控制指令。主接點一般只有常開接點，而輔助接點常有兩對具有常開和常閉功能的接點，小型的接觸器也經常作為中間繼電器配合主電路使用。交流接觸器的接點，由銀鎢合金制成，具有良好的導電性和耐高溫燒蝕性。當線圈通電時，靜鐵芯產生電磁吸力，將動鐵芯吸合，由于觸頭系統是與動鐵芯聯動的，因此動鐵芯帶動三條動觸片同時運行，觸點閉合，從而接通電源。當線圈斷電時，吸力消失，動鐵芯聯動部分依靠彈簧的反作用力而分離，使主觸頭斷開，切斷電源。
這種拖動方案存在的問題是：
（1）開環有級調速，加速度難以準確控制，調速精度差；
（2）觸點控制，大量使用大容量開關，系統維護工作量大，可靠性差；
（3）運行效率低，在低速時大部分功率都消耗在電阻上；
（4）電機的機械特性偏軟，一般電阻上消耗的功率約為電動機輸出功率的20%—30%；
（5）接觸器經常吸合與斷開，噪音比較大。雖然這種調速方案控制方式簡單、初期設備投資較低，但技術性能和運行效率低，許多中小礦井的提升機仍采用該種調速方案。
圖1：轉子回路串電阻調速系統
2、高壓提升機變頻器系統原理
2.1 系統結構
JD-BP37系列高壓變頻調速系統的結構由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6KV系列有18個功率單元，每6個功率單元串聯構成一相。
2.2 功率單元電路
圖2：功率單元電路
每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其主電路結構有圖2所示，為基本的交-直-交雙向逆變電路。圖中通過整流橋進行三相全橋方式整流，整流后的給濾波電容充電，確定母線電壓，通過對逆變塊B中的IGBT逆變橋進行正弦PWM控制實現單相逆變。當電機進入發電狀態后，逆變塊B中的二極管完成續流外，又起全波整流，使能量能夠轉移到濾波電容中，結果母線電壓升高，達到一定程度后，啟動逆變塊A，進行SPWM逆變，通過輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過變壓器將能量回饋到電網。SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。
2.3 輸入側結構
本機中移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成36脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網側的電流波形，使其負載下的網側功率因數接近1，輸入電流諧波成分低。實測在90%-105%額定輸入電壓額定電流下，輸入電流總相對諧波含量小于4%.
另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。
2.4 輸出側結構
輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到如圖3所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。
圖3：變頻器輸出的線電壓階梯PWM波形
2.5 控制器
控制器是按照預定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來控制電動機的啟動、調速、制動和反向的主令裝置。控制器是整個CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR（InstructionRegister）、程序計數器PC（ProgramCounter）和操作控制器0C（OperationController）三個部件組成，對協調整個電腦有序工作極為重要。
控制器核心由高速32位數字信號處理器（DSP）運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。人機界面提供友好的全中文WINDOWS監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。內置PLC控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，可以和用戶現場靈活接口，滿足用戶的特殊需要，增強了系統的靈活性。
數字信號處理器（DSP）相對于模擬信號處理有很大的優越性，表現在精度高、靈活性大、可靠性好、易于集成、易于存儲等方面。傳數字信號處理是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速發展，數字信號處理技術應運而生并得到迅速的發展。數字信號處理是一種通過使用數學技巧執行轉換或提取信息，來處理現實信號的方法，這些信號由數字序列表示。在過去的二十多年時間里，數字信號處理已經在通信等領域得到極為廣泛的應用。高性能DSP不僅處理速度快，而且可以無間斷的完成數據的實時輸入與輸出。DSP結構相對單一，普遍采用匯編編程，其處理完成時間的可預測性要比結構和指令復雜、依賴于編譯系統的普通微處理器強的多。
另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統的統一控制器，方便調試、維修、現場培訓，增強了系統的可靠性。
2.6 控制電源
控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設備各點的波形與加高壓情況基本相似，給整機可靠性、調試、培訓帶來了很大方便。
系統采用三次諧波補償技術提高了電源電壓利用率，利用了調制信號預畸變技術，使電壓利用率近似于1.系統還采用了先進的載波移相技術，它的特點是單元輸出的基波相疊加、諧波彼此相抵消。所以串聯后的總輸出波形失真特別小。多個單元迭加后的理論輸出波形如圖4所示（圖中是六單元疊加）。
圖4：6個單元輸出疊加后的波形
2.7 基本控制功能及特點
2.7.1 直流制動
本提升機用變頻器，直流制動對提升系統的安全運行起到重要作用，當重車在中間停車時，PLC檢測到停機信號后給控制器發出信號，讓提升機由高速平滑地降到低速，然后由控制器發出直流制動信號，使提升機停止，待PLC檢測到機械制動起作用的信號后，PLC發出信號讓控制器去掉直流制動信號，使提升機靠機械抱閘一類的裝置起作用。啟動時，先對提升機施加一直流制動信號，PLC檢測到機械抱閘信號后發出信號給控制器去掉直流制動信號，然后由控制器加上啟動電壓讓提升機開始轉動。
2.7.2 運行速度的控制
為了減少運行過程中的機械沖擊，在提升機啟動和停止過程中，做到加速度連續，因不同的頻率，對應不同的加減速速率，在本裝置的控制中，將不同頻率時的加減速速率規劃成一個表格，運行中用查表的方法確定對應頻率時的加減速速率，使提升機平滑運行，減少機械沖擊。
2.7.3 自動限速保護
在運行到終點時，由限速開關給出減速信號，PLC檢測到減速信號后發送給控制器，由控制器啟動自動減速程序，使工作頻率按設定要求逐步變為低速運行。提升機帶有測速發電機，當測速發電機給出超速信號，PLC檢測該信號發送給控制器，進入自動減速運行。PLC主要是指數字運算操作電子系統的可編程邏輯控制器，用于控制機械的生產過程。也是公共有限公司、電源線車等的名稱縮寫。可編程邏輯控制器，一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算，順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。是工業控制的核心部分。
3.7.4 再生能量處理
圖5：再生能量處理示意圖
再生能量通過功率單元來處理，見圖5所示。電機處于發電狀態，功率單元母線電壓Vbus升高，當母線電壓超過電網電壓的1.1倍時，CPU根據比較器和相位檢測的結果輸出六路SPWM波形，使逆變塊A中的IGBT工作，通過輸入電感，電動機的再生能量最后通過移相變壓器回饋到電網，裝置充分利用了移相變壓器對諧波的抵消作用，具有對電網無諧波污染、功率因數高、控制簡單、損耗小，返回到電網諧波小于5%.比較器是對兩個或多個數據項進行比較，以確定它們是否相等，或確定它們之間的大小關系及排列順序稱為比較。能夠實現這種比較功能的電路或裝置稱為比較器。比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準電壓相比較的電路。比較器的兩路輸入為模擬信號，輸出則為二進制信號，當輸入電壓的差值增大或減小時，其輸出保持恒定。
3、現場試驗情況及運行性能
3.1負載特性試驗
由于副井絞車提升負載情況比較復雜，因此，在調速階段進行了多種試驗，以檢驗變頻器的性能。
3.1.1爬行速度試驗
全程速度為0.25m/s，運行平穩。
3.1.2提升常規物料試驗
全速提升或下放，起車加速階段、等速、減速、爬行各階段運行良好。
3.1.3提升人員運行試驗全速提升或下放
在起車加速、勻速、減速、爬行等各階段運行良好。人員在罐籠內乘坐時，加、減速階段重力增加和失重的感覺幾乎沒有，速度控制的各個階段運行感覺較為平穩。
3.1.4重載試驗
（1）上提：試驗低速爬行的拖動能力。負載在井口時上提爬行速度約為0.15m/s；下放到井底后再次上提（重物在井底又增加了168×2米鋼絲繩約1噸重），采用合適的低頻補償量后正常起動，爬行速度約為0.15m/s.重物上提全程運行時間由通常負載的54s增加65s，原因是低速爬行速度在重載條件下，爬行速度有所下降（由0.25m/s降為0.15m/s），造成了運行時間比常規提升重量狀態下運行時間有所增加。重物上提速度為5.77m/s（頻率為50.3Hz）；下放速度為5.88m/s（頻率為49.92Hz）。
（2）下放：低速爬行、加速、勻速、減速整個過程很正常，符合要求。重載提升（下放）試驗證明，變頻拖動系統提升力矩可滿足系統設計提升力矩要求。
3.2 運行性能
（1）電流為雙向流動。
（2）抗擾性能強。在提升機的加、減速階段，直流電源電壓的最大動態降落或電壓超調不超過10%，擾動恢復時間不超過1秒。
（3）靜態功率因數穩定，小于5%.
（4）交流側諧波電流小，符合IEEE519規定，小于4%.
（5）變頻器在啟動過程中，啟動電流小于1.3倍額定電流。
詳談電流傳感器在變頻器運行過程中所起的作用
變頻器防雷保護途徑：端口保護
問題解決：關于變頻器控制電機漏電問題
