0、引言

　　變頻器的英文譯名是VFD（Variable-frequency Drive），這可能是現(xiàn)代科技由中文反向譯為英文的為數(shù)不多實例之一。（但VFD也可解釋為Vacuum fluorescent display，真空熒光管，故這種譯法并不常用）。變頻器是應用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的電力傳動元件。變頻器在中、韓等亞洲地區(qū)受日本廠商影響而曾被稱作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。

　　礦井提升設備在按對供電可靠性要求的負荷分類中，屬于二級負荷，是礦井運輸?shù)闹饕h(huán)節(jié)，主要任務是提升井下的矸石、煤和廢石，同時還要運送人員、設備和材料，因此礦井提升機工藝對電氣傳動的要求是很高的。

　　礦井提升過程一般包括：啟動加速、等速、減速、爬行和停車五個環(huán)節(jié)。目前我國傳統(tǒng)煤礦提升機廣泛采用交流繞線式感應電動機拖動。根據(jù)感應電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的機械特性，當在轉(zhuǎn)子回路串接附加電阻后，機械特性硬度降低，穩(wěn)定性受到影響。一般調(diào)速范圍不大于（2~3）。另外轉(zhuǎn)子回路的電流較大，不宜長時間低速運轉(zhuǎn)。在啟動加速過程中，為了既不出現(xiàn)不容許的過載，又能發(fā)揮電力拖動的工作效果，要求提升各環(huán)節(jié)依一定的順序在適當?shù)臅r間內(nèi)完成，以保證在各環(huán)節(jié)過渡中電動機的電流和轉(zhuǎn)矩不超過允許的極限值。

　　新型的礦井提升機變頻電控設備采用變頻器作為部件，發(fā)展十分迅速。經(jīng)過多方考察與經(jīng)濟技術(shù)比較，改造后的電源將原10KV電壓通過一個500KVA變壓器降壓為380V，主電機改為YVF400L4-10型355KW380V變頻調(diào)速三相異步電動機，通過對多種變頻器進行詳細的技術(shù)、經(jīng)濟和綜合性能比較，我采用了EMERSON CT CT公司的SP系列變頻器，該電控系統(tǒng)已于去年成功使用，用戶特別滿意，節(jié)能效果比較明顯。

　　變頻裝置主要技術(shù)參數(shù)

　?。?）輸入電源電壓AC380-480V，頻率50HZ;電壓允許波動范圍+/-10%;頻率允許波動范圍48-65HZ;

　?。?）輸出頻率范圍0～50Hz連續(xù)可調(diào)；

　?。?）額定重載輸出功率：500kW。

　?。?）過載能力200%以上，1分鐘；

　?。?）有較高的功率因數(shù)cOS（p>0.98;

　?。?）低頻運轉(zhuǎn)時，有自動轉(zhuǎn)矩提升功能，能保證200% 的額定轉(zhuǎn)矩；

　?。?）變頻器設有過壓、欠壓、過流、過載，功率元件過熱和電機缺相等保護，設有故障記憶功能，能保留近10次故障的功能號碼和故障的參數(shù)；

　　（8）總諧波含量<5%。

　　主要技術(shù)原理：采用全數(shù)字速度傳感器閉環(huán)矢量控制，使系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、調(diào)速高。變頻器在低頻運行時，也保證有175%以上額定力矩輸出。轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量問的幅值和相位，即控制定子電流矢量，這種控制方式稱為矢量控制方式。

1、變頻器容量選擇原則

　　在提升機械中，選擇電動機容量的依據(jù)是電機線圈的發(fā)熱量。就是說，在電動機帶得動的前提下，只要其溫升在允許范圍內(nèi)，短時間的過載是允許的。若電動機以變速度和變力矩運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱量與此電動機以額定轉(zhuǎn)速和固定力矩運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱量相等，就可以根據(jù)該固定力矩和額定轉(zhuǎn)速來計算和選擇電動機的容量，通常稱此固定力矩為等效力矩。電動機的過載能力一般定為額定轉(zhuǎn)矩的1.8-2.2倍。

　　當電動機和變頻器以恒轉(zhuǎn)矩工作時，在長時工作制（S1）下，EMERSON CT公司SP6及以上系列變頻器的電流允許在閉環(huán)狀態(tài)下60S內(nèi)有50%的過載，對啟動轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩提供一個足夠的備用。由于礦井提升機屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，因此變頻器的基本負載電流少要等于在所要求的負載工作點在滿載轉(zhuǎn)矩下的電機電流值。變頻器的容量選擇原則應符合以下原則：

　?。?）由于礦井提升機屬于重載啟動運行，電機級數(shù)一般為6級以上，因此變頻器的額定功率至少要比電機功率放大一至二檔，并且變頻器的重載持續(xù)輸出電流要大于電動機的額定電流。一般來說，變頻器額定功率為電機額定功率的1.3倍左右。

　?。?）變頻器的電流必須大于或至少等于電機的額定電流，在多電機傳動下，大于或等于總的電機額定電流。否則過低的漏感會產(chǎn)生過高的電流尖峰，導致跳閘。

2、自配外接制動電阻及選擇

　　礦井提升機在下放重物時，將產(chǎn)生大量的再生能量。對再生能量的處理方法有兩種，一種是用制動單元和制動電阻來吸收，另一種是通過設置在直流公共母線上的整流回饋裝置回饋到電網(wǎng)。由于整流回饋裝置價格較貴，對電網(wǎng)的要求也較高，且礦井提升機的總工作時間并不長。綜合性價比，一般采用制動單元加制動電阻的能耗制動方式。

　　制動單元就是在直流母線回路中加接一檢測直流母線電壓的IGBT管，一旦直流母線回路電壓超過一定的界限，該晶體管導通，并將過剩的電能通過與之相連接的制動電阻器轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。

　　制動電阻的選擇需考慮制動力矩和制動功率。SP9414變頻器標配4個制動單元，4個制動單元的制動功率滿足150%以上的制動力矩要求。這里只對制動電阻的阻值和制動電阻功率進行配置。提升機在整個工作過程中再生發(fā)電功率出現(xiàn)在減速階段，此時負載（含鋼絲繩）的動能和勢能均需要考慮。

　　減速階段再生發(fā)電電能：

　　A=（1/2MV02-1/2MV12+A1）*K A再生發(fā)電電能，M鋼絲繩質(zhì)量和負載質(zhì)量、V0減速點速度、V1停車時速度=0、A1減速點到停車點的勢能、K回饋時的機械轉(zhuǎn)換效率取0.7

　　減速階段再生發(fā)電功率

　　P=A/T P減速階段再生發(fā)電功率 T=減速階段減速時間

　　編碼器的選擇

　　本系統(tǒng)為大容量電機，工作電流較大，現(xiàn)場電磁干擾惡劣，因此編碼器的選擇尤為重要。編碼器的供電電壓盡量選高，且為

3、變頻器控制回路的抗干擾措施

　　由于主回路的非線性（進行開關(guān)動作），變頻器內(nèi)由于存在IGBT等高速開關(guān)的工作，在電路中會出現(xiàn)分布電感和分布電容，產(chǎn)生磁能和電能的轉(zhuǎn)換，出現(xiàn)傳導干擾和空間電磁輻射。而其周邊控制回路卻是小能量、弱信號回路，容易受干擾，造成變頻器自身和周邊設備無法正常的工作。因此，變頻器在安裝使用時，必須采取抗干擾措施：

　　（1）速度給定的控制電纜取1點接地，接地線不作為信號的通路使用。

　　（2）電纜的接地在變頻器側(cè)進行，使用專設的接地端子，不與其它接地端子共用，并盡量減少接地端子引接點的電阻，一般不大于4歐姆。

　　（3）變頻器前側(cè)安裝線路電抗器，可抑制電源側(cè)過電壓，并能降低由變頻器產(chǎn)生的電流畸變，避免使主電源受到嚴重干擾。

　?。?）由于電網(wǎng)的波動，以及現(xiàn)場電源具有自動無功補償裝置，變頻器輸入側(cè)加裝輸入電抗器尤其重要。

　?。?）變頻系統(tǒng)的供電電源與其他供電電源相互獨立。

　?。?）電動機和變頻器之間的電纜應穿鋼管敷設或用鎧裝電纜，并與其他的弱電信號在不同的電纜溝分別敷設，避免輻射干擾。

　?。?）信號線采用屏蔽線，且布線時與變頻器主回路控制線錯開一定距離（至少20cm以上），切斷敷設干擾。

　?。?）變頻器使用專用接地線，且用粗短線接地，鄰近其他電氣設備的地線必須與變頻配線分開，使用短線。這樣能有效抑制電流諧波對鄰近設備的輻射干擾。

　?。?）當電機電纜長度大于50m或80m（非屏蔽）時，為了防止電機啟動時的瞬時過電壓，減小電動機對地的泄露電流和噪聲，保護電動機，應在變頻器和電動機之間安裝電抗器。

　　變頻器SP9414內(nèi)置壓降為2%的輸入線路電抗器和有中心抽頭的輸出均流電抗器。增加進線電抗器可降低因相位不均衡或電網(wǎng)嚴重干擾造成驅(qū)動器損壞，同時降低諧波電流。

4、變頻器故障診斷與日常維護

　　艾默生CT SP系列變頻器的驅(qū)動器顯示器顯示驅(qū)動器的各種狀態(tài)信息，分為以下三類：故障指示、告警指示、狀態(tài)指示。如驅(qū)動器故障，驅(qū)動器輸出即停止，驅(qū)動器不再控制電機。下排顯示器顯示故障類型，上排顯示器顯示故障信息。

　　在變頻器日常維護過程中：

　?。?） 整流模塊損壞 一般是由于電網(wǎng)電壓或內(nèi)部短路引起。在排除內(nèi)部短路情況下，更換整流橋。在現(xiàn)場處理故障時，應重點檢查用戶電網(wǎng)情況，如電網(wǎng)電壓，有無電焊機等對電網(wǎng)有污染的設備等。

　?。?） 逆變模塊損壞 一般是由于電機或電纜損壞及驅(qū)動電路故障引起。在修復驅(qū)動電路之后，測驅(qū)動波形良好狀態(tài)下，更換模塊。在現(xiàn)場服務中更換驅(qū)動板之后，還必須注意檢查馬達及連接電纜。在確定無任何故障下，運行變頻器。

　?。?） 上電無顯示 一般是由于開關(guān)電源損壞或軟充電電路損壞使直流電路無直流電引起，如啟動電阻損壞，也有可能是面板損壞。

　?。?） 上電后顯示過電壓或欠電壓 一般由于輸入缺相，電路老化及電路板受潮引起。找出其電壓檢測電路及檢測點，更換損壞的器件。

　?。?） 上電后顯示過電流或接地短路 一般是由于電流檢測電路損壞。如霍爾元件、運放等。

　?。?） 啟動顯示過電流 一般是由于驅(qū)動電路或逆變模塊損壞引起。

　　（7） 空載輸出電壓正常，帶載后顯示過載或過電流 該種情況一般是由于參數(shù)設置不當或驅(qū)動電路老化，模塊損傷引起。

5、結(jié)束語

　　隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻器的特性、性能及功能日益完善，如何更恰當、更合理地選擇變頻器是驅(qū)動控制系統(tǒng)設計成功的關(guān)鍵所在，如何利用變頻器的功能使系統(tǒng)設計更加符合使用要求是設計發(fā)展的方向。變頻器在礦井提升機中的應用也將越來越廣泛。