1 引言
礦井提升機是一種大型提升機械設備。由電機帶動機械設備，以帶動鋼絲繩從而拉動容器在井筒中或者斜坡上運行，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。
提升機無論正轉、反轉其工作過程是相同的，都有起動、加速、中速運行、穩定運行、減速、低速運行、制動停車等七個階段。每提升一次運行的時間，與系統的運行速度，加速度及斜井或豎井的深度有關，各段加速度的大小，根據工藝情況確定，運行的時間由操作工人根據現場的狀況自定。
目前大部分大中型煤礦的礦井提升機都是采用繞線式電機轉子串電阻的方法進行分段有級調速控制。其基本原理是：當繞線式異步電動機轉子串入附加電阻后，電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行，串入的電阻越大，電動機的轉速越低。此方法的優點是設備簡單，控制方便；但缺點是轉差功率以發熱的形式消耗在電阻上，且此方法屬于有級調速，機械特性較軟。在實際應用時電阻的投切采用繼電器—交流接觸器控制。這種控制系統由于調速過程中交流接觸器動作頻繁，設備運行的時間較長，交流接觸器主觸頭易熔化，引發設備故障。另外，由于是有級調速，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經常會造成停車位置不準確。提升機頻繁的起動﹑調速和制動，在轉子外電路所串電阻的上產生相當大的功耗，造成了能源的大量浪費。起動和調速換擋過程中電流沖擊大；中高速運行震動大，安全性較差。所以對于安全和穩定性要求較高的礦山型企業來說，這種調速方法將很快被淘汰。
高壓變頻調速技術，特別是能量回饋技術的高速發展為礦井提升機的調速和節能改造創造了條件。變頻調速可實現0～50hz全范圍恒轉矩無級調速，且下放重物時電機的再生能量可以直接反饋至電網。如采用矢量控制還可實現靜態大轉矩的軟啟動，對于豎井式的提升設備也能實現快速提升、下放及瞬間的加減速。
恒鼎實業國際發展有限公司是集煤炭開采、洗選、煉焦為一體的綜合型煤炭企業，于2007 年9月在聯合交易所主板上市，是中國第一家在境外主要資本市場ipo上市的能源型民營企業。近幾年來恒鼎實業公司積極響應國家節能降耗政策，已對旗下大部分煤礦的礦井提升機進行變頻改造。恒鼎實業貴州盤縣幾大煤礦采用北京利德華福電氣技術有限公司的fva型變頻器共7臺，對礦井提升機設備進行改造，實踐證明，使用變頻調速后提升機運行的穩定性和安全性大大提高，減少了運行故障和停工檢修工時，節省了人力和物力，提高了運煤能力，直接和間接的經濟效益也很可觀。
2 工程概況
盤縣樂民洪興煤礦位于六盤水市盤縣樂民鎮境內，礦井井田面積1.7km2，礦區可采煤層保有資源量4430萬t，設計可采資源儲量2367萬t，礦井設計產量60萬t/年。此井為斜井，主要用于井下材料和物質輸送，斜井總長約1km，坡度25o，豎直深度約420m。該井采用單卷筒單繩纏繞式絞車。現場的工藝工況如圖1所示。
變頻器直接取用10kv高壓電經變頻后輸出給電機，電機輸出軸經過減速機構減速后驅動卷筒旋轉，從而帶動纏繞在卷筒上的鋼絲繩上拉或下放小車。變頻器提供本地（通過人機界面）操作和遠程（通過操作臺）控制兩種控制方式。操作臺通過其兩個手柄的推拉分別實現對液壓系統的控制及變頻器的頻率給定和啟停操作，從而最終實現對絞車的松閘、制動和小車運行速度的精準調節。
主體設備由以下幾個部分組成：
（1）北京利德華福公司提供的高壓變頻調速系統
主要參數如下：
型號：harsvert-fva10/030，能量回饋型矢量控制高壓變頻器；
額定電壓：10kv；
額定電流：30a。
（2）佳木斯電機廠生產的高壓電機
主要參數如下：
型號：y4507-6；
額定電壓：10kv；
額定電流：23.9a；
電機極數：6極；
額定轉速：989r/min。
（3）貴州高原礦山機械有限公司生產的卷筒、減速機構、液壓和電控系統
主要參數如下：
型號：jk-2.5×2.0p；
卷筒直徑：2.5m；
最大提升速度：3m/s；
滾筒容繩量：2km。
除以上設備外還有深度指示系統和潤滑系統。
潤滑站用于對減速機構的潤滑，深度指示系統通過傳動桿與卷筒的滾動軸相連，用于提供小車在井下運行時與地面的相對位置傳輸給操作臺，以便于設置加減速時間點和保護邏輯。液壓系統由液壓站和液壓閘閥組成。液壓泵站驅動位于滾筒前后左右共4組16個液壓閘閥，每個閘閥與剎車片相連，以用于緊急抱閘和松閘。變頻器、液壓系統的i/o點及其他所有輔助系統的狀態信號均送至操作臺上的plc，plc與操作臺上的觸摸屏使用modbus通信，以便于狀態監控和參數設置。操作臺上的控制按鈕及手柄用于絞車運行的手、自動切換及開、停車操作。
3 高壓變頻調速技術
3.1四象限變頻器
對于變頻器來說，定義電機的運行象限為變頻器的運行象限，以電機的轉矩為橫軸，轉速為縱軸，建立平面直角坐標系，如圖2所示。
當電機的輸出轉矩與電機轉向相同時，如電機拖動風機、水泵、壓縮機、帶輪等穩態或加速運行，或拖動提升機提升重物時，電機運行在電動機方式下，變頻器從電網獲取有功功率并輸出給電機，變頻器運行方式在能量輸出狀態下，即處于第一、三象限。而當電機輸出的轉矩與電機轉向相反時，如電機拖動風機等軸負載減速制動運行，或者電機拖動絞車下放重物時，電機運行在發電機方式下，變頻器將從電機獲取有功功率并回饋至電網，變頻器運行于第二、四象限，處于能量回饋狀態。
普通的變頻器電網側采用二極管不可控整流或者半可控整流，僅能工作在第一和第三象限，稱為兩象限變頻器；如果電網側采用全可控整流的話，則可以使變頻器工作在4個象限，則這種變頻器稱為四象限變頻器或能量回饋型變頻器。
在提升機上使用能量回饋型變頻器，在停車或下放重物時，變頻器可以驅動電機輸出制動力矩，從而不僅可以實現快速制動（50hz停車只需10s），還可將負載的動能轉化成電能直接回饋于電網。
3.2能量回饋的基本原理
電壓源型能量回饋變頻器的基本拓撲結構如圖3所示。
圖3中，網側逆變器稱為有源前端，負責控制變頻器與電網之間的能量交換；電抗器為電網與變頻器之間的能量流動提供條件，并限制網側逆變器電流；網側濾波器用于吸收網側逆變器發出的諧波電流，阻止其注入電網。
將上述結構進行簡化，將網側逆變器等效為一可控電壓源，將電網與濾波器等效于一個理想電壓源，設電網電壓角頻率為ω，有效值為e，相位為0°；網側逆變器輸出有效電壓有效值為u，相位為θ，電感大小為l則：
此可知，通過調整網側逆變器的輸出電壓u的幅值和相位來調節變頻器與電網之間的有功和無功交換：當u滯后e時，θ》0°，p》0，變頻器從電網吸收有功功率；當u超前e時，θ《0°，p《0，變頻器向電網回饋有功功率，即處于能力回饋狀態；當ucosθe時，變頻器向電網發出感性無功功率；當ucosθ=e時，變頻器網側功率因數為1。
綜上所述，只需精確控制變頻器網側逆變器的輸出電壓，即可控制其有功功率和無功功率的大小和流向，實現能量回饋。實際控制上往往通過控制電感上的電流來控制變頻器與電網間的功率交換。
3.3能量回饋的實現
目前國內大部分變頻器均采用單元串聯多電平的方式，帶能量回饋的拓撲結構與非能量回饋的拓撲類似，其區別在于每個功率單元內，將原有的二極管不可控整流橋改為igbt逆變橋，如圖4、圖5所示。此外，為了濾除網側逆變器產生的開關頻率高次諧波電流，阻止其注入電網，在輸入側增加了一組網側濾波器。
為了控制各個功率單元的直流母線電壓，在每個功率單元內設置單獨的控制器，執行網側逆變器的矢量控制算法，當變頻器由能量輸出狀態轉入能量回饋狀態時，有功功率從電機流入變頻器，造成每個功率單元的直流母線電壓上升。各個功率單元內的控制器檢測到這一上升電壓后，將從電網流向功率單元的有功電流給定值減小至一負數，這個時候主控制器會預先通過程序鎖定電網電壓的幅值、相位和頻率，然后使功率單元的網側逆變器輸出pwm波，各個功率單元產生的pwm波通過疊加后形成與電網相適應的正弦波電壓和相位，再向電網回饋有功功率。
4 節能效果明顯
在工頻運行時，電機需要5～7倍的啟動電流，而在變頻器運行時，電機可在零速、零電壓啟動（當然可以適當提高轉矩提升），采用矢量控制，啟動時動態轉矩最大為150%的額定轉矩，可帶全負載起動。
變頻器在制動中，由于負載下降時，電機轉速隨頻率而下降，這是由制動產生的功率能量（勢能）通過網側逆變器回饋到電網中。還有電機在剎車停車時，電機的慣性作用所發生的能量（勢能）也能變成再生能源，回饋到電網中重新利用。所以，使用變頻器節能效果明顯。
5 結束語
矢量控制技術實現了大轉矩、小電流啟動和轉速及轉矩的精準調節，而能量回饋技術則使變頻器的節能功效進一步優化。因為傳統的變頻調速節能只是在滿足現場工藝的條件下，將閥門或擋板節流所產生的能量損失減少，而能量回饋則還將電機在二、四象限運行時處于發電機狀態下的再生能量直接回饋至電網。不僅不會產生像轉子串電阻或能耗制動方式那樣將不可用或再生的電能以電阻發熱的形式消耗掉的情況，而且還將這部分能量得以利用，從而使變頻器的節能效果更加明顯。
煤礦生產也是一個高耗能行業，現代的大型電動機械代替了傳統的人工開掘方式。皮帶機、提升機、瓦斯抽排風機、主扇風機的容量逐漸變大，高壓大功率電機的應用進一步推廣。而在現有的工藝條件下實現大幅度的節能降耗將成為企業長期生存下去的必要條件。
高壓變頻技術的迅速發展為煤礦行業的節能降耗提供了一個非常有利的契機。利德華福公司依托清華大學的學術優勢，擁有10多年的技術和經驗沉淀，矢量控制能量回饋型變頻器的大力推廣將為煤炭等礦山型企業的節能降耗提供強有力的技術支持和保障。