变频概述-20110603讲课

中矿传动矿井提升机传动技术概述

徐州中矿大传动与自动化有限公司徐志鸥二零一一年六月中矿传动

一、提升机的类型●

缠绕式提升机1-提升机2-提升钢丝绳3-天轮4-井架5-罐道6-罐笼矿井提升机传动技术概述中矿传动●

普通多绳摩擦式提升机

矿井提升机传动技术概述中矿传动●内装式多绳摩擦提升机

内装式提升机的结构特点：（1）摩擦轮——电动机转子（2）主轴装置——电动机定子矿井提升机传动技术概述中矿传动中矿传动特殊提升机（1）单绳摩擦式提升机应用场合：开滦矿务局吕家坨矿老主井、老副井。（2）锥形滚筒应用场合：开滦矿务局唐山矿2#、3#井，林西矿4#井

矿井提升机传动技术概述中矿传动中矿传动二提升机拖动系统

1拖动系统分类●按电流的种类分，可以分为交流拖动和直流拖动两大类。

●按电动机的数量分，有单机拖动和双机拖动两大类。●按连接形式分，有带减速器和直联式两大类。●按提升容器的种类分，有箕斗提升和罐笼提升机两大类。

矿井提升机传动技术概述中矿传动2提升机的运行特点提升机的运行具有周期性，是一个位势负载。电动机存在两种运行状态：电动状态和制动状态，其工作加减速度要满足《煤矿安全规程》规定，立井升降人员的加速度和减速度都不得超过0.75m/s2，斜井不得大于0.5m/s2。《设计规范》建议箕斗提升加速度不宜大于1.2m/s2。矿井提升机传动技术概述中矿传动3提升机对电控系统的要求

●

满足四象限运行要求；

●要求平滑调速且调速精度较高提升工艺要求电气传动；

●设置准确可靠的速度给定装置；

●设置行程显示与行程控制器为了便于提升机司机操作；

●设置完善的故障监视装置；

●设置可靠的闸控电路。矿井提升机传动技术概述中矿传动4提升机电控的技术指标●调速范围●静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称为静差率s，即显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。矿井提升机传动技术概述中矿传动4矿井提升机控制系统的发展与现状三个阶段（1）交流拖动（TKD系统）（2）直流拖动（F-D机组，晶闸管变流）（3）交流拖动（变频）矿井提升机传动技术概述中矿传动直流拖动和交流拖动之比较（1）交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、惯量小、效率高。一般来说直流电机的效率只有85%左右，而交流异步电机可到90%以上，同步电机可达到96%以上。（2）直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制。国内矿井使用直流电机一般都在3MW以下，而交流电机可以做到10MW以上。对于井下要求防爆的场合，直流电机就无法胜任。矿井提升机传动技术概述中矿传动（3）交流变频系统一般都使用PWM（脉宽调制）方式，其谐波含量很小，根本不需要谐波治理。而直流调速一般采用晶闸管整流，其谐波是无法避免的，需要治理。（4）交流变频采用的智能型全控器件（IGBT、IGCT），都可以实现自保护，对于器件故障的保护功能更完善，并且能防止故障的进一步扩大。而对于维护人员都可以通过上位机系统得到故障信息。而普通晶闸管则不具备此功能，出现器件故障只能依靠现场维护人员的素质和经验去判断，对维护造成很大的不便利。矿井提升机传动技术概述中矿传动三直流拖动系统

根据供电电源的不同有以下两种：发电机—电动机直流拖系统(G—M系统)和晶闸管—电动机直流拖动系统(V—M系统)。

1F-D拖动系统优点：调速平稳，电流无脉动，调速范围宽缺点：使用设备多、体积大、费用高、效率低、有噪声

矿井提升机传动技术概述中矿传动2、可控硅整流器-电动机拖动装置这种拖动装置利用可控硅整流器的直流电压向提升电动机供电，电动机的电枢和磁场均可它来供电，因为直流电压可通过控制角均匀调节，电动机的转速便可以得到均匀改变而达到无级调速。电动机的换向可分为电枢换向和磁场换向两种方式。矿井提升机传动技术概述中矿传动V-M系统优点：

动作速度快，维护工作量小，比F-D机组运行效率高，体积小，重量轻和占地面积小。缺点：对电网无功冲击大，高次谐波会影响电网电压。12脉动整流器：

为了抑制谐波分量，减少电网电压波形的畸变，可以利用组合整流桥得到12脉波的输出电压波形。采用这种方法需要互差30的两个独立交流电源（可借同一整流变压器的两个不同的阀侧绕组供电），相位控制可以采用简单的等同控制原则。

矿井提升机传动技术概述中矿传动12脉动的优点：●

波形质量好，脉波数提高1倍；●

扩大变流器功率范围，以适应大功率提升机的高电压、大电流的要求；●提高系统稳定性，当其中某一组变流装置故障时，可以利用剩下的一组供电，使得提升机在降低一半功率的条件下继续维持运行。

矿井提升机传动技术概述中矿传动

根据组合方式的不同，可分为串联12脉动和并联12脉动。串联时某一组变流装置故障时可实现全载半速，并联时某一组变流装置故障时可实现半载全速。值得注意的是在选择并联12脉动时必须适用两个电抗器和两个直流快开。一般情况下推荐使用串联12脉动，尤其是在主井，如果采用并联12脉动在井中某组变流器出现故障，采用全速半载是不能继续进行提升的。除此而外，串联12脉动还可以实现顺序控制，能大大地减少无功功率的消耗，从而提高功率因数。矿井提升机传动技术概述中矿传动

3

ASCS系列全数字直流电控调速

矿井提升机传动技术概述中矿传动矿井提升机传动技术概述中矿传动（1）主回路

●高压配电系统●

整流变压器●可控硅整流装置●快开●电抗器●转接柜矿井提升机传动技术概述中矿传动（2）全数字调节部分高性能单片机为核心，主要功能有:●完成提升机速度和电流双闭环调节，如:①预设速度基准值；②限制加、减速过程的冲击；③速度自动调节；④电枢电流自动调节；⑤磁场电流自动调节；⑥预设电流限制值。矿井提升机传动技术概述中矿传动●实现电枢回路和磁场回路的各种故障保护，如:

①磁场变压器超温；②磁场整流桥快熔熔断；③磁场过电流；④磁场回路对地漏电；⑤磁场可控硅交流阻尼熔丝断；⑥磁场可控硅过热；⑦电枢变压器超温；⑧电枢整流桥快熔熔断；⑨电枢过电流；⑩电枢回路对地漏电；⑪电枢可控硅交流阻尼熔丝断；⑫电枢可控硅过热。矿井提升机传动技术概述中矿传动（3）多PLC冗余控制部分

用来完成提升机系统操作保护和行程监控和装。●

操作保护部分采用一台PLC执行操作程序，并实现各种故障保护及闭锁。PLC将来自系统各部分的保护信号处理后分为立即施闸、井口施闸、电气制动和报警四类，送监视器显示故障类型并控制声光报警系统报警并施闸。系统的安全回路有两套，一套由PLC构成，另一套为继电器直动回路。矿井提升机传动技术概述中矿传动●

行程监控部分由一台PLC、两个轴编码器(一个装在滚筒上，另一个装在导向轮上)和井筒开关构成，轴编码器将提升机钢丝绳在线速度和行程位置转换成脉冲信号送入PLC，经PLC中的软件计算后处理成罐笼在井筒中的位置和在线速度，送到操作台监视器显示。（4）操作台和监视器

操作台由左操作台、右操作台和指示台三部分构成。左操作台上有制动手柄、高压送电按钮、磁场送电按钮、快开控制按钮、安全复位按钮、紧停按钮、灯试验按钮、闸试验按钮、过卷旁通按钮等；右操作台上有主令操作手柄、工作方式选择开关、控制方式选择开关和信号联络按钮等；指示台左侧为监视器，指示台上有深度指示器、重要操作信号和故障信号指示灯以及运行参数显示仪表。矿井提升机传动技术概述中矿传动交流拖动交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。常见的交流调速方法有：①降电压调速②转差离合器调速③转子串电阻调速④绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速⑤变极对数调速⑥变压变频调速等

矿井提升机传动技术概述中矿传动1、异步机调速类型按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类：●

转差功率消耗型调速系统●转差功率不变型调速系统●转差功率回馈型调速系统矿井提升机传动技术概述中矿传动●

转差功率消耗型调速系统

这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第①（降电压调速）、②（转差离合器调速）、③（转子串电阻调速）三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。矿井提升机传动技术概述中矿传动●

转差功率不变型调速系统在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第⑤（变极对数调速）、⑥（变压变频调速）两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。

矿井提升机传动技术概述中矿传动●

转差功率回馈型调速系统在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第④（串级调速和双馈调速）种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。矿井提升机传动技术概述中矿传动2TKD系统简介

这种方式的原理是在绕线异步电动机的转子回路接入金属电阻，用控制器或磁力站逐步切除电阻的方法进行调速，换向靠高压真空开关改变进线高压相序，在减速段投入动力制动或是低频制动，从理论上讲属于异步电机转差功率消耗型调速。矿井提升机传动技术概述中矿传动TKD系统的缺点（1）调速性能差，起动和减速运行特性出现阶梯式跳跃。（2）能耗特别大，消耗在电阻上的电能特别大，不符合国家节能减排的要求。（3）速度不能平滑调节，因而对机械系统的冲击非常大，缩短设备寿命。（4）控制方式多为分立元器件，因此维护量特别大（5）速度不易人为控制，使用中存在着很大的安全隐患。（6）因减速和爬行段不能低速平稳运行，必然导致爬行段时间过长，影响提升效率。矿井提升机传动技术概述中矿传动电力变换的类型矿井提升机传动技术概述中矿传动3交-交变频

交－交变频变流器用于将恒频三相交流电源转变为可调频率的交流三相电源。变流器为由三相全桥组成的六脉冲无环流交－交变频器，三相全桥由直接反并联晶闸管连成。每两组全桥内一台整流变压器供电，为电机提供单相交流电源。

矿井提升机传动技术概述

系统主要由主控计算机、驱动控制计算机、整流变压器、交交变频器、励磁变压器、电压、电流检测装置、轴编码器等组成。中矿传动

为了提高驱动控制性能和减少谐波污染，可采用十二脉冲结构，即由上述两组六脉冲变流器分别向电机的两组独立定子绕组供电，两组六脉冲变流器的三相电源的相角差30°(由整流变压器完成)，或两组六脉冲变流器并联向电机定子绕组供电

。矿井提升机传动技术概述中矿传动交-交变频电压和电流输出波形矿井提升机传动技术概述中矿传动

●交-交变频的优点（1）适用的功率范围较大，且过载倍数大。（2）具有良好转矩特性，对矿井提升机具有较好的应用能力。（3）无中间直流环节的变换，故运行效率较高。（4）主回路功率元器件可采用普通晶闸管，提高了变频器性价比和抗过载能力。矿井提升机传动技术概述中矿传动

●交-交变频的缺点（1）系统比较复杂，特别是对于双绕组，器件使用多。而且每一相都需要独立隔离电源，使得变压器数目增多。（2）对电机的参数依赖较大，如果电机厂家给出参数不全或不准确，必然会影响调速性能。（3）功率因数低，尤其是低速运行时，需要适当补偿。（4）频率输出范围窄，一般在15Hz以下，对于低速直联同步机比较适用，而对于高速电机则无用武之地。（5）谐波含量大，且谐波是不可预料的，即使进行谐波治理，效果也不会好。矿井提升机传动技术概述中矿传动

4交-直-交变频交-直-交变频一般采用全控型的半导体器件，如GTO、IGBT、IGCT等。相对与交-交变频来说，它具有结构简单，可靠性高，频率可调范围宽，功率因数高，高次谐波少等优点。以前由于受半导体器件功率的影响，容量一直做不大，随着大功率全控器件的出现，这种方式有着非常好的前景。在主回路结构上，它可采用两电平或多电平的方式。矿井提升机传动技术概述中矿传动两电平变频器

这种方式在每个桥臂上只有一个开关器件，每相输出只有两种电平，即和0。矿井提升机传动技术概述中矿传动多管串联两电平变频器在半导体器件容量受限制的情况下，为了直接对高压进行变换，可选择多管串联的两电平主电路拓扑结构。矿井提升机传动技术概述中矿传动单元级联多电平高压变频器

单元串联多电平逆变器是1975年P.Hammond提出的一种适合高压场合的变频器结构，其原理是用隔离的直流电源作为多个H桥的输入，输出端串联。这种拓扑结构是问世最早的一种多电平变频器。其主要功能是用于高压电动机驱动、大功率电源、大功率有源滤波器等场合矿井提升机传动技术概述中矿传动级联多电平高压变频器的优缺点

优点：采用单元化结构设计，将多个单相全桥单元叠加起来，采用载波移相等PWM调制技术，可实现多电平叠加输出，系统电平数越多，输出波形越接近于正弦，du/dt低，可不用输出滤波器而直接应用于普通电机，系统冗余度较好。缺点：较难实现高性能矢量控制，目前大多应用于调速要求不高的风机、水泵等应用场合。系统功率器件数量众多，如对每个独立的直流电源配置前端全控整流以实现高性能能量回馈和网侧功率因数控制功能，则系统所用功率器件和传感器数量将会急剧扩大，系统功率密度低，移相变压器制造工艺复杂，系统占地面积大，故障点多，可靠性一般。

矿井提升机传动技术概述中矿传动中点嵌位式三电平变频器

三电平变换器由早期的两电平变换器演化而来，在变换器的桥臂上有4个功率器件，每个桥臂可输出1、0、-1三个电平。在相同的输出电压等级的情况下，三电平结构功率器件所承受的电压仅为两电平的一半，大大减轻了du/dt，降低了功率器件和电机绝缘承受的电压应力，减小了变频器相同的EMI。矿井提升机传动技术概述中矿传动三电平和两电平之比较（1）三电平变频器输出电压的阶梯波与两电平相比，更接近正弦波，电平数增多，输出电压谐波含量低，即降低了电压畸变率和du/dt。矿井提升机传动技术概述中矿传动三电平和两电平之比较矿井提升机传动技术概述中矿传动三电平和两电平之比较（2）三电平拓扑结构与两电平结构相比较，可以有效的降低功率器件的开关频率，从而提高了系统可靠性，延长了器件使用寿命。（3）与两电平相比，由于开关频率的显著降低，从而降低了变流器的EMI和功率器件的发热量，也降低了变频器的器件损耗。（4）由于优良的输出电流波形，使得三电平变频器对电机冲击减小，延长电机使用寿命。矿井提升机传动技术概述中矿传动

五ASCS三大变频产品

徐州中矿大传动与自动化有限公司在交流传动方面皆利用三电平拓朴结构，派生出三大变频产品，即异步绕线电机转子双馈变频，异步鼠笼机定子变频和同步电机变频。

1异步绕线电机双馈转子变频

传统双馈电机即为绕线式转子异步电动机，因其定、转子各有一套绕组与外部电源(电网或变频器)相连，功率流向可分别由定、转子馈入或馈出，故称双馈电机。

所以所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电网连接，转子绕组与其他含电动势的电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递。至于电功率是馈入定子绕组和/或转子绕组，还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，则要视电机的工况而定。矿井提升机传动技术概述中矿传动

在双馈调速工作时，除了电机定子侧与交流电网直接连接外，转子侧也要与交流电网或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势。矿井提升机传动技术概述中矿传动双馈调速的功率传输（1）转差功率输出状态

异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行。

矿井提升机传动技术概述中矿传动双馈调速的功率传输（2）转差功率输入状态

当电机以发电状态运行时，它被拖着运转，从轴上输入机械功率，经机电能量变换后以电功率的形式从定子侧输出（馈出）到电网。

矿井提升机传动技术概述中矿传动转子附加电势的作用异步电机运行时其转子相电动势为：转子相电流的表达式为：

矿井提升机传动技术概述有了附加电势后相电流为：

中矿传动矿井提升机传动技术概述中矿传动矿井提升机传动技术概述2.Er

与Eadd反相

同理可知，若减少或串入反相的附加电动势，则可使电动机的转速降低。所以，在绕线转子异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速。

中矿传动●

ASCS双馈变频构成

矿井提升机传动技术概述

系统在绕线电机转子侧引入全控功率变换单元，通过控制转差功率进行调速，其中CU1为全控逆变单元，用于提供与转子电势同频率的变压变频电源，CU2为全控整流单元，在提供稳定直流电压的同时，可对网侧功率因数和谐波进行调节和补偿，使系统对电网造成的影响可忽略不计。中矿传动●

ASCS提升机双馈变频系统框图矿井提升机传动技术概述中矿传动●

双馈变频的性能特点转矩：启动、低速运行时，转矩可以达到额定转矩的两倍。由于电压和频率均连续可调，电机起动电流可得到有效控制，转矩冲击不存在，可提供既可控又平滑的最大启动及制动转矩，大大缩短了加减速及爬行段的时间。调速性能：矢量控制可实现类似直流拖动控制系统的优良调速性能，实现无级调速。系统能自动高精度地按设计的提升速度图控制提升速度，系统的安全得到保证，极大地降低了操纵难度；减速时电气制动减速，司机无需再用施闸手段控制提升机减速，避免了超速、过卷的发生。矿井提升机传动技术概述中矿传动●

双馈变频的性能特点谐波：通过高性能失量控制算法，将功率变换装置和电机作为整体考虑，在实现高性能调速的前提下，可对整流网侧功率因数、整流网侧谐波、电机定子侧功率因数等系统关键指标进行调控，所以几乎不存在谐波污染，不需增加无功补偿、谐波治理等投资。

功率因数：双馈控制所具有的一个突出优点是电机在调速的同时能够独立调节定子侧无功功率，改善系统的功率因数，功率因数可达到1，提高了设备对电网容量资源的利用率，减少了因无功电流引起的线路损耗。矿井提升机传动技术概述中矿传动●转子子双馈变频与高压变频之比较（1）由于定子侧电压较高和IGBT耐压的限制，高压变频只有采用级联的方式。高压变频器的变压器为特制的多绕组变压器，二次输出多达45-60只端子，变频器主回路接线比较多。另外高压变频器使用IGBT数量为180-270只。而在双馈转子变频系统中，变压器为通用整流变压器，IGBT数量为24只，二极管12只，元器件总数36只，主回路可靠性是高压变频的5-7倍。（2）高压变频器中使用60-80只电解电容，此电解电容寿命为2000-6000小时，正常使用八个月左右就要更换。更重要的是这样的元件寿命不能保证提升机电控系统的可靠性。转子双馈变频器采用两个高性能聚丙脂电容，寿命可达20万小时，寿命是电解电容的20倍。矿井提升机传动技术概述中矿传动●转子子双馈变频与高压变频之比较（3）高压变频由于其结构复杂，很难实现高性能的控制方式（如矢量控制或直接转矩控制），基本都采用V/F控制方式，对于风机、水泵类不变负载有一定的使用范围，但对于提升机之类的位势负载，其转矩特性以及动态响应是很难满足要求的。（4）高压变频在使用过程中，都是满负荷运行。而转子双馈变频只在减速和减速段出力，在等速段只是将转差功率回馈电网，其电流很小。因此变频器的功率损耗更小，效率更高，寿命更长。（5）高压变频所使用移相变压器为非标产品，制造工艺复杂，损耗大。矿井提升机传动技术概述中矿传动●转子变频与定子短封变频之比较

（1）变频矢量控制在定向方面有两种，即定子磁链定向和转子磁链定向。由于转子电流本身是被控量，导致转子磁链难以观测准确，影响控制效果。双馈变频采取定子磁链定向，因定子是恒压恒频供电，磁链观测非常准确，能很好的解决这个问题，并能解决低速运行不稳的现象。（2）定子短封转子变频为单馈系统，无论转速高低，变频器整流和逆变均处于大负荷运行状态，而双馈系统在高速时转差功率很小，整流侧几乎不进行功率传递，损耗很小。因此，双馈系统损耗较单馈系统小的多，整体效率高。矿井提升机传动技术概述中矿传动●转子变频与定子短封变频之比较

（3）由于绕线电机转子电压为非标准电压等级，国外通用低压变频器并不能完全匹配，因此必然要改变变频器的正常运行工况，使设备运行存在着很大的安全隐患。而双馈系统采用双三电平背靠背主回路拓扑结构，能很好的适应不同转子电压等级的需要。（4）通用变频器一般采用两电平拓扑结构，du/dt较三电平拓扑结构大了近一倍，当使用定子短封技术时，转子侧较大的du/dt变化率会在定子侧耦合出较高的感应电压，威胁定子绝缘。而我们的双馈变频采用双三电平背靠背主回路拓扑结构，能很好的解决这个问题。矿井提升机传动技术概述中矿传动●转子变频与定子短封变频之比较

（5）通过我们在现场的应用，双馈系统不但能达到很好的调速性能，其功率因数为1且可调，网侧谐波在2%以下，大大低于国家标准。（6）为了节约成本，许多厂家在选择变频器时并没有选择真正意义上的四象限变频器，而是使用了两象限变频器+制动单元或是两象限变频器+自耦变压器回馈方式，勉强实现四象限运行。前者存在着调速不稳的缺点，二者由于是被动回馈且是两电平方式，必然会存在谐波，对电网会造成很大的污染。而使用双馈变频，不但能实现主动意义上的四象限，而且能使谐波含量达到最小。矿井提升机传动技术概述中矿传动2异步鼠笼机定子变频

在鼠笼电机定子绕组引入背靠背三电平全控功率变换单元，通过调节同步转速进行调速。其中CU1为定子绕组全控逆变单元，采用转子磁链定向矢量控制技术，用于提供和速度控制相关的变压变频电源；CU2为定子绕组全控整流装置，采用电网电动势定向矢量控制技术，在提供稳定直流电压的同时，可对网侧功率因数和谐波进行调节和补偿。矿井提升机传动技术概述中矿传动ASCS鼠笼电机定子变频结构

矿井提升机传动技术概述中矿传动性能特点：

●应用电压：380V/660V/1140V/2300V/330