一、前言
變頻技術是應變交流電機無級調速的需要而誕生的。20世紀50年代末，美國通用電氣公司推出了電力半導體元件閘流體（可控矽scr），給變頻技術提供了劃時代意義的基礎硬體。進入70年代，由於直流電機的調速侷限性，交流電機越來越受到人們的青睞。
隨著市場需求的增長，技術也日益發展和完善。2023年，美國、德國提出了向量控制技術，使得變頻器的交流調速效能可以和直流調速相媲美。2023年，美國提出了電力電子技術這一新的技術學科，其最大應用領域就是調速傳動。
2023年，日本採用向量控制的變頻調速系統開始實用化，技術又上了乙個新台階。到了20世紀80年代，由於電力半導體開關器件和微電子技術的進步，變頻器效能及可靠性提高，生產成本下降，其應用開始普及。
幾十年間，電力電子器件也從最初的scr(閘流體)、gto(門極可關斷閘流體)，經過bjt(雙極型功率電晶體)、mosfet(金屬氧化物場效電晶體)、sit(靜電感應電晶體)、sith(靜電感應閘流體)、mgt(mos控制電晶體)、mct(mos控制閘流體)，發展到今天的igbt(絕緣柵雙極型電晶體)、hvigbt(耐高壓絕緣柵雙極型閘流體)，器件的更新促使變頻器的應用領域更為廣泛，市場規模隨之迅速擴大。
1．我國變頻技術的發展歷程和現狀
從總體上看，我國變頻調速技術起步較晚，比歐美、日本等發到國家晚了10至15年。
在中低壓變頻器方面，國內大部分產品都是普通的v/f控制，大部分應用還侷限於對效能要求不高的低端場合。推出成熟的向量產品的國內品牌仍是極少數，到目前為止只有英威騰、森蘭等有限的幾家。
鐵煤大明礦副井絞車提公升裝置採用饒線電機串電阻調速，這套裝置存在著很多缺陷，例如故障率高、維護費用高、執行效率低、噪音大、安全可靠性差，制約生產發展等。為了提高生產裝備技術水平，提高生產能力，針對現副井提出了改造要求，天津民益電器****作出轉子變頻調速電控系統。
變頻調速是目前交流非同步電動機最理想的調速方式，它模擬直流電動機的調速方法，並考慮了電動機動態效能要求，具有無級調速、響應迅速、執行平穩、控制靈活等特點，廣泛應用於各個領域。
「絞車轉子變頻操控系統」由整流/回饋單元櫃、、逆變單元、輔助控制櫃、plc櫃、操控臺等組成，整套系統體積小、重量輕、操作使用方便可靠。並且完全沿用礦山裝置的操作習慣。
副井提公升機為200kw，考慮到負載的特殊性和系統的可靠性，在設計中，「轉子電機變頻操控系統」選用了250kw變頻器。變頻系統本身帶有軟制動，為了安全起見，把原有的手動液壓閘改造成徑向液壓閘，增加了液壓站。
變頻調速器是通過改變電動機輸入電源的頻率來調節電機轉速的，因此調速範圍很寬，可以達到0~400hz。頻率調節精度為0.01hz，基本上實現了無級調速。
所以，採用了變頻器後，電機可以實現真正意義上的軟啟動和平滑調速。並且變頻器提高了輸入電源的功率因數，在基頻以下為橫轉矩輸出，輸出功率隨轉速變化，因此具有很好的節電效果。另一方面，變頻器還可以通過軟體，很方便的改變輸出轉矩（即調整轉矩補償曲線）和加減速時間、目標頻率、上下限頻率等。
它還具有強大的相容功能，通過工業控制計算機呼叫內部功能，並根據使用要求進行功能組合、引數設定（修改）和動態調速。通常，變頻器可通過鍵盤操作，也可通過端子排控制，還可以通過plc進行多段速度控制。外控訊號可以是電壓，也可以是電流，還可通過編碼器進行數字控制。
提公升機轉子變頻的創新點之一就是在提公升機系統中採用低壓變頻器對高壓供電絞車進行改造，擴大了變頻器的應用範圍，另一技術特點創新就是採用了雙「plc」工作，主plc負責提公升機的工藝控制和安全保護控制，從plc構成監視及監控，整個有主有從，互相分工，互相監視。
操控臺在外觀上保持了原來風格，但內部控制系統和外部指示均為全新設計。操作繼續沿用以前習慣，主令開關手柄改為無級調速手柄，用於動態調速。系統自動輸出異常訊號，控制系統安全抱閘。
總之，提公升機轉子變頻操控系統具有很高的技術含量和很好的技術優勢，這主要體現在：
1、 實現了電動機的軟啟動。
2、 實現了無級平滑調速，可在靜態或動態任意調整電機轉速。
3、 執行平穩，無轉差衝擊，延長了機械系統的使用壽命。
4、 響應速度電流雙閉環、動態調節迅速，控制靈活，便於實現集中控制和系統整合。
5、 集訊號處理、執行控制、機械制動、安全保護為一體，提高了裝置的整體功能。
6、 調節系統具有主迴路過壓、欠壓、過流、限流、電機限速/超速等各項保護，操作直觀簡便，駕馭輕鬆自如。
7、 節能率高。
8、 傳動引數可手動/電腦通訊兩種形式，輸入並儲存，（便於維護）。
該系統與2023年4月在大明礦主井正式投入使用，已經安全無故障執行至今。
二、原提公升機系統簡介
原提公升機系統主要由主軸裝置、減速機、饒線式電機、手動液壓角移式制動閘、深度指示器、天輪、罐籠、井架、電源櫃、加速控制櫃、電阻站等組成。該系統在我國各礦山普遍使用。
提公升機是關鍵的採礦裝置，對安全性要求特別高，原系統由於技術落後、輔助環節多，故障點多，其動態效能差、調速不平穩，並且經常發生諸如電阻燒毀、接觸器燒毀、可控矽損壞等問題，給生產和維護帶來很大困難。該套系統故障率和維修費用很高，更重要的是由於經常維修，影響正常生產，給企業造成很大損失。
1、原提公升機系統概述
原提公升機系統的工作原理是通過改變電動機正反轉來實現罐籠上公升與下降，而速度的改變則靠改變串入饒線式電機轉子的電阻來實現的。制動靠手動式角移式液壓制動器，制動非常不平穩，對機械有衝擊。
這套系統的缺點也是明顯的，主要表現在系統組成複雜，體積龐大、操作複雜、故障率較高。從實際系統中我們可以清楚地看到，各單元、各元件之間的連線達數百條；電阻器頻繁燒毀，電機銅頭、刷架、電刷等經常出現故障等。另外，由於控制系統頻繁，給檢修維護帶來很大困難，也是該系統的重要缺點之一。
從系統運**況我們不難看出提公升機系統為有級調速，動態速度變化不平穩，調速範圍小，對罐難度很大，操作不易掌握，尤其是執行不穩增加了裝置磨損，另一方面，當系統低速執行時電機的轉差率大，相應的轉差功率完全轉化為熱量消耗掉。所以，該系統是一種低效率高消耗的調速裝置。
我們知道，對於交流電機調速來說，改變電源電壓、電源頻率或電機的級對數均可改變電機轉速。而對於原系統電機級數和施加於定子側的電源頻率均不變，因此，電機的同步轉速也不變，所謂調速，實際是通過串聯電阻改變轉子繞組上的電壓，這就使電氣傳動的穩態調速精度大大降低；同時，由於串入電機轉子迴路的電阻阻值不能無機變化，所以無法實現平滑調速。
我們還應該注意的一點是，原系統負力提公升時減速段只能靠動力制動和手動閘配合，非常不平穩，而且大量能量轉化成熱量消耗掉了，這就是該系統的致命缺點。
2、提公升機系統工作原理
提公升機通過鋼絲繩分別承吊兩個罐籠，乙個罐籠上公升的時候另乙個罐籠處於下降過程，兩者執行方向永遠相反，罐籠執行時有時提物進行正力提公升，有時下放重物時進行負力提公升，負力提公升時電機處於發電狀態，在罐籠公升降過程中能平穩執行外，還能準確對罐。因此，電機轉速必須可調節，制動必須可靠，啟動必須迅速平穩，原系統除了制動外其他各項均不理想。
系統的配置為一台200kw的10級繞線轉子交流非同步電動機，有級調速，即通過主令開關改變轉子迴路串入不同數值可調電阻， 從而獲得電機的不同機械特性，從而改變電機轉速，這種調速方式簡單，曾被廣泛應用。
通過對原提公升系統分析使用天津民益的轉子變頻方案，該方案尤其在安全性方面採取了多重保護，在變頻控制基礎上將手動液壓角移式制動閘改為徑向制動閘。並對其進行自動抱閘、適度抱閘和完全抱閘等操作。使系統在全工作的過程中均有安全保證。
方案簡介
一、轉子變頻絞車電控系統
交流變頻電控裝置調速系統採用德國西門子公司原裝的整流/回饋裝置和逆變裝置構成的。其中整流/回饋單元由兩個反併聯、6脈動閘流體橋組成，在負力執行時，將電能回饋電網（四象限工作）。逆變工作橋通過一台自藕變壓器和電網相連。
而逆變裝置則採用了高動態效能傳動系統的頻率控制或轉速控制。這種磁場定向控制方式可以達到同直流傳動系統相比美的動態效能。
二、轉子變頻絞車電控調速系統功能：
1）能準確地推斷和調節轉矩電流分量和磁通電流分量；
2）多級執行速度可調；
3）速度/電流雙閉環傳動引數可手動/電腦通訊兩種方式輸入並儲存（便於維護）；
4）調節系統具有主迴路過壓、欠壓、過流、限流、電機限速/超速等各項保護；
5）啟動/停車採用轉矩/速度切換方式調節；
6）調節系統的故障記憶功能；
7）閘流體/igbt自動風冷功能；
8）自動優化電機引數，控制更精密。
三、 轉子變頻絞車電控調速系統構成
轉子變頻絞車調速系統包括整流/回饋單元櫃、逆變單元櫃、輔助控制櫃、操作台、自藕變壓器等。
1整流/回饋單元
整流/回饋單元的功率部分由2組反併聯閘流體組成，用於向逆變器直流母線供電並由直流母線向電網回饋能量。這可通過乙個自藕變壓器來實現。
2逆變單元櫃
逆變單元採用帶編碼器的向量控制方式，具有高精度轉矩和動態響應。其通過6個igbt功率閘流體將直流母線電壓調製成方波加到電機繞組上，而在電機中流過的電流幾乎是正弦波。
3輔助控制櫃
輔助繼電器櫃內配有各種低壓電源、ups電源、閘電流控制部分及邏輯控制繼電器，櫃內電器元氣件均採用進口元氣件以保證使用安全可靠。與操作台一起構成操作控制單元，可完成以下功能：
1）具有檢修、驗繩、調繩（纏繞式單筒）、手動、半自動操作方式。
2）具有主迴路過壓、過流、提公升過捲、等速段超速、減速段超速、調速系統等多種保護；
3）對於提公升機的各重要保護均採用外部線路邏輯控制和程式內部邏輯控制雙線保護措施；
4）動態調速通過程式計算可實現提公升速度、深度顯示；
5）通過程式計算可實現自動減速、停車，確保安全停車；
6）具有液壓壓力、潤滑壓力全數字顯示。
4 操作台
操作台內包含可程式設計控制器（plc）2套，以進口可程式設計控制器（plc）為控制核心（採用西門子公司的s7—300系列產品），通過其電源/通訊模板、數字量模板、模擬量模板、高速記數模板採集現場控制訊號/故障資訊、發出控制指令、傳輸資料給工控機液晶顯示屏顯示。
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