高壓變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備中運(yùn)用
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摘要：機(jī)電設(shè)備是煤礦的重要組成部分，為了加深對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的了解，采用文獻(xiàn)查閱法分析煤礦機(jī)電設(shè)備中高壓變頻器的選型與運(yùn)用，明確高壓變頻器的負(fù)載、功率、控制方式這3大選型依據(jù)，以及它在提升機(jī)、輸送機(jī)、流體負(fù)荷設(shè)備中的實(shí)際運(yùn)用，希望能夠強(qiáng)化煤礦機(jī)電設(shè)備節(jié)能改造，發(fā)揮設(shè)備的最大效能，提高煤礦生產(chǎn)效益。
關(guān)鍵詞：煤礦；機(jī)電設(shè)備；高壓變頻器；節(jié)能；調(diào)速
0引言
煤礦機(jī)電設(shè)備普遍存在電能浪費(fèi)現(xiàn)象，設(shè)備調(diào)速方式相對(duì)落后，縮短了煤礦機(jī)電設(shè)備的使用年限，降低煤礦企業(yè)綜合生產(chǎn)效益。為從根本上解決這些問(wèn)題，減少電能消耗，在煤礦生產(chǎn)實(shí)踐中加強(qiáng)對(duì)高壓變頻器選型與運(yùn)用的研究，強(qiáng)化高壓變頻器的節(jié)能與調(diào)速功能。因此，通過(guò)本文的研究，充分了解高壓變頻器對(duì)設(shè)備選型的重要意義與作用，更好的應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)中。
1高壓變頻器基本分析
變頻器主要是通過(guò)電力半導(dǎo)體器件本身帶有的通斷作用，讓工頻電源能直接替換成為另外一種頻率的電能控制裝置。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)以及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，高壓大功率的變頻調(diào)速裝置也逐漸成熟起來(lái)，在各領(lǐng)域得到充分的應(yīng)用，原本很難解決的高壓?jiǎn)栴}，在最近幾年利用單元串聯(lián)或者期間串聯(lián)都得到了妥善的解決。高壓變頻器包含了諸多種類。根據(jù)中間環(huán)節(jié)是否有直流部分，可將高壓變頻器劃分成交直交變頻器和交交變頻器；根據(jù)有無(wú)中間低壓回路，可以將高壓變頻器劃分為高低高變頻器和高高變頻器；基于直流部分的性質(zhì)，可以將高壓變頻器劃分為電壓型變頻器和電流型變頻器；根據(jù)嵌位的方式，可以將高壓變頻器劃分為電容嵌位變頻器和二極管嵌位變頻器；根據(jù)電壓的用途和等級(jí)，可以直接將高壓變頻器劃分為高壓變頻器與通用變頻器。
2高壓變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的選型
高壓變頻器是以電力半導(dǎo)體通斷功能為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換頻率的一種控制儀器，通常由變壓器柜和功率柜、控制柜組成[1]。其中功率柜里有3組功率單元，負(fù)責(zé)輸出所需電壓，變壓器柜則給功率柜提供內(nèi)部功率單元所需能量，控制柜對(duì)功率進(jìn)行不斷的整流、逆變及檢測(cè)等處理，工作原理如圖1所示。在煤礦機(jī)電設(shè)備方面運(yùn)用高壓變頻器，如何選型是關(guān)鍵性問(wèn)題，通常按照3種依據(jù)選型。（1）負(fù)載選型。依據(jù)煤礦機(jī)電設(shè)備負(fù)載，選擇高壓變頻器是重要選型途徑之一。機(jī)電設(shè)備負(fù)載主要有分轉(zhuǎn)矩、恒功率、降轉(zhuǎn)矩這3種，通常各類負(fù)載下的機(jī)電設(shè)備可選擇通用高壓變頻器，通過(guò)控制U/f實(shí)現(xiàn)恒功率負(fù)載[2]。（2）功率選型。如果變頻和電機(jī)功率相等，應(yīng)選擇對(duì)高壓變頻器運(yùn)行有利的類型；如變頻和電機(jī)功率存在較大差異，所選高壓變頻器的功率應(yīng)和電機(jī)功能相近；如電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻繁或工作頻繁，應(yīng)選擇功率更大的高壓變頻器；如電機(jī)有剩余功率，所選高壓變頻器的功率應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)功率；如功率不同，應(yīng)考慮啟動(dòng)電機(jī)時(shí)峰值電流對(duì)高壓變頻器產(chǎn)生的影響，做好節(jié)能調(diào)節(jié)工作。（3）控制選型。高壓變頻器的控制方式以開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制為主[3]。前者主要使用無(wú)速度傳感器的矢量控制，以及普通的U/f控制方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有較高的運(yùn)行可靠性，但調(diào)速精度較差，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)不佳，無(wú)法在低調(diào)速區(qū)域得到良好運(yùn)用；后者主要使用有速度傳感器矢量控制、附帶PID控制器的U/f控制方式，調(diào)速范圍大、精度較高，并且有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，只是適用范圍較小，僅限于對(duì)應(yīng)壓力、流量、速度、pH值等。
3高壓變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的運(yùn)用
在煤礦領(lǐng)域運(yùn)用高壓變頻器，促進(jìn)了電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)的融合，在機(jī)電設(shè)備和強(qiáng)弱電流混合時(shí)影響設(shè)備的電能消耗，使其更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能和安全運(yùn)行[4]。高壓變頻器主要運(yùn)用于礦井提升機(jī)、帶式輸送機(jī)、流體負(fù)荷類設(shè)備3個(gè)方面，通過(guò)具體的分析與探討，明確高壓變頻器的作用，達(dá)成既定的目標(biāo)。
3.1運(yùn)用于煤礦礦井提升機(jī)
在礦井提升機(jī)中運(yùn)用高壓變頻器，可按照其輸出電壓信號(hào)的變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)升降狀態(tài)的自主調(diào)控[5]。例如，當(dāng)提升機(jī)高壓運(yùn)行時(shí)，高壓變頻器可通過(guò)低頻率運(yùn)行讓低壓進(jìn)入安靜狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)信號(hào)記錄顯示提升機(jī)高壓運(yùn)行的信號(hào)。運(yùn)用高壓變頻器還能滿足提升機(jī)軟啟動(dòng)要求，科學(xué)調(diào)控其運(yùn)行速度，保證其安全可靠地運(yùn)行。在該過(guò)程中，要保留液壓機(jī)械制動(dòng)，將其與高壓變頻器制動(dòng)整合，原理如圖2所示。在提升機(jī)運(yùn)行環(huán)節(jié)，井下、井口務(wù)必要通過(guò)信號(hào)聯(lián)絡(luò)，沒(méi)有確認(rèn)信號(hào)，不能讓提升機(jī)運(yùn)行，運(yùn)用高壓變頻器緩解采煤機(jī)的振動(dòng)、沖擊，并通過(guò)變頻調(diào)速功能自動(dòng)調(diào)控設(shè)備提升速度，大幅度提高工作效率[6]。
3.2運(yùn)用于煤礦帶式輸送機(jī)
帶式輸送機(jī)在煤礦生產(chǎn)中是一種關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備，需要大量電能支撐其運(yùn)行，特別是煤礦長(zhǎng)距離輸送消耗的電能更多，內(nèi)部制動(dòng)器運(yùn)行負(fù)荷極大。所以在帶式輸送機(jī)中運(yùn)用高壓變頻器，可以促進(jìn)長(zhǎng)距離輸送的軟啟動(dòng)和低速空載運(yùn)行等的實(shí)現(xiàn)，并使輸送機(jī)保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到自動(dòng)連續(xù)工作的目的[7]。例如膠帶輸送機(jī)是煤流運(yùn)輸系統(tǒng)最主要的設(shè)備，液力耦合器在工頻的拖動(dòng)下傳動(dòng)，交流電機(jī)就是其動(dòng)力裝置，不過(guò)其啟動(dòng)電流較大、傳動(dòng)效率較低、機(jī)械沖擊較大，加上輸送距離長(zhǎng)、負(fù)載重、傾角大，容易引發(fā)重載或帶載啟停問(wèn)題，提高跑帶、斷帶等事故的發(fā)生率。運(yùn)用高壓變頻器能實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)，使其平穩(wěn)啟動(dòng)、平穩(wěn)運(yùn)行，通過(guò)變頻控制徹底消除原有安全隱患。西山煤電集團(tuán)為了進(jìn)一步加快轉(zhuǎn)型發(fā)展進(jìn)程，就針對(duì)多座煤礦進(jìn)行了改造。所屬煤礦選擇使用西門(mén)子羅賓康高壓變頻器、減速器，以及國(guó)內(nèi)的高壓電動(dòng)器，變頻器電壓為6kV和10kV（分別為36和48脈沖整流，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)和變速運(yùn)行，提升自動(dòng)化水平和可靠性。礦內(nèi)所使用的帶式輸送機(jī)，因?yàn)橛兄虚g驅(qū)動(dòng)，其實(shí)際的功率超過(guò)10000kW，驅(qū)動(dòng)單元直接安排在中間和頭部，頭部3臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)2個(gè)滾筒，中部3臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)3個(gè)滾筒；變頻器都安裝在頭部井口，中間驅(qū)動(dòng)通過(guò)電纜連接變頻器；其他2條都是頭部驅(qū)動(dòng)，4臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)2個(gè)滾筒，每條帶式輸送機(jī)都配有1個(gè)備用變頻器或備用驅(qū)動(dòng)，滿足帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)以及變速運(yùn)行的要求，最終提高帶式輸送機(jī)的技術(shù)水平與相應(yīng)的性能。主要參數(shù)見(jiàn)表1。帶式輸送機(jī)搭配高壓變頻器，可以滿足軟啟動(dòng)的要求，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的變速運(yùn)行，并且高壓變頻傳動(dòng)效率良好，啟動(dòng)性能佳，擁有較強(qiáng)的自動(dòng)化控制能力。西門(mén)子羅賓康高壓變頻器可承受45%的電源電壓下降，而增加1臺(tái)備用變頻器，可大幅提高變頻傳動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。
3.3運(yùn)用于流體負(fù)荷類設(shè)備
煤礦機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)中的流體負(fù)荷類設(shè)備主要有礦井水泵、通風(fēng)機(jī)等。在水泵中運(yùn)用高壓變頻器，可以平滑控制其啟停狀態(tài)，節(jié)省維修費(fèi)用。因?yàn)樗秘?fù)責(zé)抽送礦井中的液體，把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成液體能量，它不僅可以輸送液體，還能使液體增壓，在煤礦的給水與給液中起到重要作用。以前水泵的空轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，啟停頻繁，耗費(fèi)大量電能，經(jīng)常發(fā)生故障，運(yùn)用高壓變頻器可以有效控制其啟停和減速，讓礦井下的液位保持穩(wěn)定狀態(tài)，縮短水泵空轉(zhuǎn)的時(shí)間，提高其運(yùn)行效率，減少故障，操作簡(jiǎn)便。在通風(fēng)機(jī)中運(yùn)用高壓變頻器，可以根據(jù)礦井的采掘工作面、開(kāi)拓布局等情況，根據(jù)礦井生產(chǎn)需求靈活調(diào)整整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)壓、風(fēng)量，確保通風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)的綜合考慮，多余轉(zhuǎn)矩會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)功率消耗，利用高壓變頻器調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的入口和出口擋板、水泵，進(jìn)而調(diào)節(jié)礦井中風(fēng)和水的壓力、流量等參數(shù)，達(dá)到節(jié)能減排的效果。在礦井流體負(fù)荷類設(shè)備中運(yùn)用高壓變頻器，發(fā)揮高壓變頻器的變頻調(diào)速功能，加強(qiáng)電能強(qiáng)弱控制與管理。運(yùn)用電力半導(dǎo)體器件通斷，能在控制工頻電源的過(guò)程中形成電能控制裝置。通過(guò)煤礦風(fēng)機(jī)交流就能把電壓變成普通直流電壓，通過(guò)頻率的改變和電壓的實(shí)現(xiàn)，形成驅(qū)動(dòng)電能，出現(xiàn)無(wú)極調(diào)速電壓需求點(diǎn)，創(chuàng)新機(jī)電設(shè)備調(diào)速方式。除此以外，在高壓變頻器的綜合運(yùn)用中，改變煤礦機(jī)電設(shè)備負(fù)載，可以形成自動(dòng)化減速模式，特別是運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)更換功率器的GTR和IGBT等控制方式，形成智能化功率模塊，創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)化處理，再通過(guò)處理數(shù)字信號(hào)、高級(jí)集成電路，形成有效的基本調(diào)速控制方式，依托計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的編程處理、參數(shù)識(shí)別等方式，獲取自動(dòng)化運(yùn)行效果。
4結(jié)語(yǔ)
在煤礦機(jī)電設(shè)備中選擇合理的高壓變頻器，是煤礦企業(yè)在煤礦生產(chǎn)中運(yùn)用高壓變頻技術(shù)的核心。通過(guò)在主要系統(tǒng)中廣泛使用變頻技術(shù)，不僅改善機(jī)電設(shè)備的性能，提升了礦井裝備水平，確保煤礦安全生產(chǎn)、節(jié)能增效，為煤礦企業(yè)順利完成生產(chǎn)目標(biāo)提供可靠支撐。然而當(dāng)前高壓變頻技術(shù)的發(fā)展水平對(duì)持續(xù)提升煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行效能而言還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在今后的研究中應(yīng)持續(xù)改進(jìn)高壓變頻設(shè)備，提高變頻技術(shù)運(yùn)用水平，確保高壓變頻器更好地服務(wù)于煤礦機(jī)電設(shè)備，優(yōu)化煤礦生產(chǎn)。
作者:吳貴鵬 單位:山西晉神沙坪煤業(yè)
