IGBT应用在MW直流电机矿井提升机控制系统中获得突破性进展

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2021年6月15日发布

       矿山提升系统作为矿山大型咽喉设备，承担矿物提升、人员上下、材料运送等任务，其性能的好坏直接影响矿山的生产和人员的生命安全。而矿井提升控制调速系统作为矿井提升系统的软件控制部分，是它的大脑和神经，其发挥的作用是不言而喻的。

         矿井提升机属于恒转矩负载类型，要求调速系统具有“四象限可逆运行能力，在重物提升和正力减速过程中，将电能转化为机械能以产生驱动力；在重物下放和负力减速过程中，将机械能转化为电能回馈电网以产生电气制动力，达到提升机四象限可控运行目的”。直流电动机、交流电动机控制系统均能完成该任务。

       其中，直流电机控制系统，作为矿山提升系统中较早投入、较为成熟的控制系统，前期广泛应用于矿山提升领域，但是由于其利用可控硅驱动直流电机，在实际应用中由于可控硅属于半控器件，主器件本身的特性致使此系统存在功率因数低（通常小于0.84），无功冲击大，谐波高，维护量高，自动化程度偏低等问题。

        因此鉴于上述原因，国土资发［2014]176号文件将“矿井提升直流电动机”列为限制类技术，仅允许在小型矿山使用，并逐步淘汰。        

       但是，就目前矿山提升控制系统而言，还存在着很大一部分在直流电动机矿井提升控制系统，而这一部分存量市场，自2015年以后，已经运行至少6年的时间，正进入了设备升级换代的阶段，而对于系统的处理部分采用的方式则是将直流电机设备整体拆除，更换交流变频电机同时配备与之相适应的提升机控制系统；这一做法存在的问题是，一次性改造投入的费用较高，尤其是更换电机价格不菲，且需停产改造周期较长，从而造成很多矿山提升使用客户，望价生畏，改造计划一推再推，给提升系统安全稳定运行带来隐患。

       2020年，中矿传动根据客户市场需求，针对目前市场现状，研发了”IGBT全控PWM直流调速电控系统”，在客户不拆除原有直流电机的情况下，以IGBT控制技术替换原有的SCR（可控硅）控制技术。目前，产品已经完成测试，效果完全达到预期。

   图1  矿井提升机使用现场

       IGBT全控PWM直流调速电控系统的直流电机电枢侧引入全控功率变换单元，通过PWM控制直流斩波进行调速，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，从而使系统对电网造成的谐波影响可忽略不计。磁场侧采用创新的DC/DC变换拓扑结构，省去了励磁开关柜和励磁变压器，并且采用全控变换单元，性能更优。

      同时，IGBT全控PWM直流调速电控系统中，采用功率叠层母线技术，让平板导体加绝缘层的叠层母线具有结构紧凑、低杂散电感和良好的散热性能等诸多优点。在制造工艺方面则采用堆栈式功率组件结构，层次清晰，既提高了变流器的功率密度，又方便设备的维护与检修。

图2 叠层母线连接方式

       另外， IGBT全控PWM直流调速电控系统中加装自主研发的矿井提升机非线性悬停控制器和多CPU多总线协同工作控制器，使整个系统更加稳定、收敛速度更快，具备较好的速度控制及转矩响应性能。系统针对实际需要设计了并行和串行两路板级总线，同步时序操作，主要和中央处理单元的交换实时性高的运算数据；串行总线也为同步工作方式，提供数据回检、板级工作状态等功能。

图3 堆栈式功率组合件柜体

     IGBT全控PWM直流调速电控系统在实际运行中具有以下的优势和特点：

1、启动平稳，无冲击，降低电机的噪音和故障率，实现系统的软启动、软停止，降低设备冲击损耗。

2、网侧功率因数高，达到0.99，输出阶梯正弦波，电流谐波小，不需功率因数补偿和谐波抑制装置，对电缆、电机绝缘无损害。

3、新式IGBT结构变流器效率达到98%以上，进一步降低电能消耗。

4、变流装置采用新一代IGBT控制技术，较上一代可控硅整流技术，具有结构简便、功耗低、发热小、故障率低、可靠性强、性能优异等特点，是大型直流电机驱动技术发展方向，能够保证矿井提升系统高效安全运转，具有广泛的社会效益。

  （本稿件由中矿传动市场部整理编辑，经中矿传动技术支持团队审核授权发布！）

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