變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦的應(yīng)用

溫玉婷

(黑龍江煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 雙鴨山 155100)

1 提升系統(tǒng)中的應(yīng)用

(1)直流制動(dòng)的作用。當(dāng)重車需在井筒中間停車時(shí)，變頻器由高速平滑地降到低速，隨之施加一個(gè)直流制動(dòng)信號使提升機(jī)停止，機(jī)械制動(dòng)起作用后方可去掉直流制動(dòng)信號，使重車靠機(jī)械抱閘的作用停在中間。啟動(dòng)時(shí)先對電機(jī)施加一個(gè)直流制動(dòng)信號，當(dāng)檢測到機(jī)械抱閘打開方可去掉直流制動(dòng)信號，加上啟動(dòng)電壓，提升機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械抱閘抱緊狀態(tài)一直在變頻器檢測下，一旦機(jī)械抱閘打開馬上給電機(jī)施加直流制動(dòng)信號，避免重車“溜勾”現(xiàn)象。

(2)S形速度曲線。為減少運(yùn)行的機(jī)械沖擊，在變頻器啟動(dòng)與停止過程中最好做到加速度是連續(xù)的，即S形加、減速曲線。當(dāng)井下及井口停車傾角很小時(shí)，要求提升機(jī)運(yùn)行速度很低，否則會出現(xiàn)“松繩”現(xiàn)象。另外，井筒罐道要求變頻器能以不同頻率工作。根據(jù)現(xiàn)場情況，變頻器可設(shè)置5個(gè)頻率段主令控制器的不同位置對應(yīng)不同的直流控制電壓，即對應(yīng)不同的運(yùn)行頻率。

(3)自動(dòng)限速保護(hù)。當(dāng)運(yùn)行接近終點(diǎn)時(shí)給出一個(gè)減速信號，接到此減速信號后，如主令控制器已操作減速，則變頻器按主令控制器的操作改變運(yùn)行速度;若收到減速信號后主令控制器沒有正常操作，則自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)內(nèi)的自動(dòng)減速程序，將變頻器工作頻率按預(yù)定要求逐步改變?yōu)榈退龠\(yùn)行。這對于預(yù)防“過卷”是十分必要的。此外，當(dāng)提升機(jī)帶有測速發(fā)電機(jī)給出超速信號時(shí)，變頻器也能自動(dòng)減速。

(4)連鎖開機(jī)功能。提升機(jī)開機(jī)須按給出命令操作。當(dāng)給出“上行”或者“下行”命令的時(shí)候，如人員操作與命令不符，連鎖功能就對此操作不響應(yīng)，變頻器不啟動(dòng)。連鎖功能是保證安全運(yùn)行的重要措施。

(5)對再生能量的處理。變頻器的主回路采用雙向逆變方案。

2 礦井主扇風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)頻控制

(1)系統(tǒng)自動(dòng)化控制。PLC接到運(yùn)行指令時(shí)，判斷運(yùn)行機(jī)號和運(yùn)行方式。若為低頻方式則驅(qū)動(dòng)低頻接觸器吸合，延時(shí)0.4s發(fā)出變頻器運(yùn)行令，電機(jī)啟動(dòng)至設(shè)定頻率風(fēng)門絞車開啟扇風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)門，前導(dǎo)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開扇風(fēng)機(jī)前導(dǎo)器，使扇風(fēng)機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。若為工頻方式則控制風(fēng)機(jī)降壓啟動(dòng)，當(dāng)啟動(dòng)電流降至設(shè)定值時(shí)停掉降壓啟動(dòng)接觸器，吸合運(yùn)行主接觸器，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)入全速運(yùn)行狀態(tài)，30s后風(fēng)門及前導(dǎo)器自動(dòng)打開。

(2)風(fēng)量閉環(huán)控制。風(fēng)機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)，風(fēng)量由給定信號控制。該信號與風(fēng)量傳感器反饋信號同時(shí)進(jìn)入PLC的A/D模塊，經(jīng)CPU比較調(diào)節(jié)后，輸出信號由D/A模塊送至變頻器頻率設(shè)定接口，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，從而改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)風(fēng)機(jī)低頻故障轉(zhuǎn)換。PLC在風(fēng)機(jī)低頻運(yùn)行中自動(dòng)檢測變頻器運(yùn)行情況，變頻器出現(xiàn)高中時(shí)自動(dòng)切除低頻系統(tǒng)使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行。

(4)電機(jī)過流保護(hù)。電機(jī)變送器將主回路電路電流信號轉(zhuǎn)換后送入CPU內(nèi)部功能存貯器，CPU在每個(gè)掃描周期將該數(shù)據(jù)與內(nèi)部電流設(shè)定值比較，超過設(shè)定值即進(jìn)行保護(hù)。

(5)風(fēng)門行程精確控制。PLC開閉風(fēng)機(jī)風(fēng)門時(shí)，安裝在風(fēng)門絞車主軸上的軸編碼器將風(fēng)門行程轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號送至高速記數(shù)模塊，待其譯為BCD碼后存入內(nèi)部存儲器，CPU在每個(gè)掃描周期將BCD數(shù)據(jù)與行程設(shè)定值比較，超出設(shè)定值即停車。

3 在井下采煤系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 采煤機(jī)ACS－800變頻器的調(diào)試運(yùn)行

ACS－800變頻器有著優(yōu)良的調(diào)速性能和顯著的節(jié)能效果被廣泛應(yīng)用于煤礦及其他眾多行業(yè)。正確設(shè)置變頻器的基本參數(shù)是十分重要的。

①選擇語言，設(shè)置電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)數(shù)據(jù)。有十五種語言可供選擇，應(yīng)選(ENGLISH)英語，(FACTORY)基本應(yīng)用于工廠、(NO)不恢復(fù)出廠設(shè)置、(DTC)直接轉(zhuǎn)矩控制。根據(jù)電動(dòng)機(jī)銘牌選擇合適的電壓、頻率范圍、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)功率等。

②通過設(shè)置數(shù)字輸入端，實(shí)現(xiàn)外部啟動(dòng)、停機(jī)和旋轉(zhuǎn)方向。加速時(shí)間就是變頻器輸出頻率由零頻升到最大頻率所需時(shí)間，一般8～10s。減速時(shí)間是從給定最大值降至零頻所需時(shí)間，一般3～5s。確保加速時(shí)不過流、減速時(shí)不過壓。加、減速時(shí)間可根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)現(xiàn)場情況適當(dāng)調(diào)整，以不出現(xiàn)過電流、過電壓為原則。

③加減速模式選擇。變頻器加減速有線形、非線形和S形曲線運(yùn)行模式。采煤機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行負(fù)載變化較大，且加速度要緩慢，變頻器可選擇S形曲線運(yùn)行模式，以滿足不同的復(fù)雜地質(zhì)條件需要。

④設(shè)置轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。以此來提高電動(dòng)機(jī)在低速啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩提升，應(yīng)采取自動(dòng)補(bǔ)償功能，確保電動(dòng)機(jī)加速順利進(jìn)行。

⑤電子過流保護(hù)功能設(shè)置。這是為了保護(hù)電動(dòng)機(jī)因過流而燒毀，漏電保護(hù)功能對電動(dòng)機(jī)及電纜實(shí)時(shí)監(jiān)視絕緣情況。工作電流超過設(shè)定值時(shí)過流保護(hù)功能動(dòng)作，絕緣值下降至設(shè)定值以下時(shí)漏電保護(hù)功能將切斷電源，實(shí)現(xiàn)保護(hù)牽引電動(dòng)機(jī)的要求。

⑥模擬加載調(diào)試采煤機(jī)。接上電源后仔細(xì)觀察有無異?，F(xiàn)象，然后進(jìn)行初加速。在加速時(shí)限制頻率給定時(shí)要緩慢，頻率上升率不要太陡，以防止出現(xiàn)過電流保護(hù)。此時(shí)觀察電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否由小到大過渡運(yùn)行平穩(wěn)確保電動(dòng)機(jī)接近滿載情況下可靠運(yùn)行。

3.2 電牽引采煤機(jī)變頻器故障分析與處理

對于采煤機(jī)只能進(jìn)行單向行走的單向牽引事故，除平時(shí)經(jīng)常清理按鈕表面的粉塵，并做好防銹處理以防出現(xiàn)按鈕卡住現(xiàn)象外，還要加強(qiáng)對插座的維護(hù)和保護(hù)，控制線在壓接時(shí)用力適度，線頭壓得過緊易出現(xiàn)斷絲，采煤機(jī)振動(dòng)時(shí)易造成線頭虛接。

對于采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)能牽引，但在行走過程中經(jīng)常出現(xiàn)突然停機(jī)，停機(jī)后有時(shí)有故障顯示有時(shí)無故障顯示，復(fù)位后仍能開機(jī)的病態(tài)牽引事故，先不要急于動(dòng)手，首先詢問司機(jī)關(guān)于采煤機(jī)工作運(yùn)行情況和故障現(xiàn)象，觀察功能顯示和參數(shù)顯示，仔細(xì)傾聽采煤機(jī)運(yùn)行聲音，分清是機(jī)械故障還是電氣故障，確定故障范圍，由點(diǎn)到面層層分析，然后再進(jìn)行事故處理。

對于采煤機(jī)不牽引的事故，其原因可分為硬故障和軟故障。硬故障是指采煤機(jī)出現(xiàn)不牽引后信息顯示直觀，能直接從顯示窗口上獲得故障信息。軟故障是指采煤機(jī)出現(xiàn)不牽引后從顯示窗口查不出各種信息，故障點(diǎn)信息較模糊，難以對事故進(jìn)行處理?，F(xiàn)場處理是更換功率平衡板。該板是易損件，出現(xiàn)類似事故時(shí)應(yīng)及時(shí)更換。平常應(yīng)加強(qiáng)對變頻器電源輸入聯(lián)接線的維護(hù)，采取隔離和包扎等措施，使變頻器電源輸入線不與器壁和其他元件接觸，可有效防止事故發(fā)生。

3.3 交流電牽引采煤機(jī)綜合試驗(yàn)臺

①交流變頻調(diào)速試驗(yàn)單元:主要設(shè)備有油自冷式調(diào)壓器、三相異變電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)和數(shù)字式直流調(diào)速裝置、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、控制臺，實(shí)現(xiàn)交流變頻調(diào)速裝置電氣性能和牽引電機(jī)及機(jī)械性能的測試，完成變頻調(diào)速裝置保護(hù)功能的測試。能測試的項(xiàng)目主要有變頻器在空載狀態(tài)下的工作性能試驗(yàn)、加載試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、電網(wǎng)電壓波動(dòng)試驗(yàn)、速度調(diào)節(jié)范圍試驗(yàn)、制動(dòng)與正反轉(zhuǎn)運(yùn)行試驗(yàn)、機(jī)械調(diào)速特性試驗(yàn)。

②計(jì)算機(jī)信號數(shù)據(jù)處理單元:核心設(shè)備有工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)(含模擬量、數(shù)字量、輸入輸出接板)、寬行彩色打印機(jī)、信號調(diào)理變送電路，主要用來采集來自交流變頻調(diào)速單元的信號和數(shù)據(jù)，按照測試項(xiàng)目的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

③采煤機(jī)控制、監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)單元:共包括監(jiān)測信號模擬發(fā)生電路(分別模擬采煤機(jī)牽引部、截割部等處的電流、溫度、壓力等檢測信號，能在規(guī)定量程內(nèi)變化，并具備計(jì)量校準(zhǔn)的功能，可以代替原信號送檢測中心)、采煤機(jī)操作信號模擬發(fā)生電路(模擬采煤機(jī)的各種信號，如送電、牽啟、左行、右行等，可以代替原信號控制采煤機(jī)各部的動(dòng)作)、采煤機(jī)動(dòng)作響應(yīng)顯示電路(代替采煤機(jī)各部在控制中心輸出信號后作出的響應(yīng)指示)，主要對采煤機(jī)控制監(jiān)測系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試。

4 在運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 隔爆變頻調(diào)速裝置在膠帶輸送機(jī)的應(yīng)用

隔爆變頻調(diào)速裝置的操作可在本機(jī)控制，也可遠(yuǎn)程控制。此機(jī)控制是靠變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)置的觸摸屏來設(shè)定運(yùn)行參數(shù)。在觸摸屏上進(jìn)行運(yùn)行和停止操作。遠(yuǎn)控時(shí)，通過工作臺對變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行外控操作。應(yīng)用變頻調(diào)速裝置時(shí)，一般采用一拖一控制。當(dāng)3臺電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)且2臺電機(jī)同軸時(shí)，在隔爆變頻調(diào)速裝置間增加主從控制功能，可任意設(shè)置其中1臺為主機(jī)、其余2臺為從機(jī)。在現(xiàn)場中設(shè)置同軸的1臺電機(jī)為主機(jī)、其余2臺電機(jī)為從機(jī)，同軸的另一臺電機(jī)設(shè)置為轉(zhuǎn)矩跟蹤，不同軸的第三臺設(shè)置為速度跟蹤。主機(jī)是調(diào)速裝置群控中的首機(jī)，其他變頻器都是從機(jī)。主機(jī)只有1臺。在運(yùn)行中只對主機(jī)控制，全部從機(jī)同步自動(dòng)跟隨主機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)良好的主從關(guān)系目標(biāo)控制運(yùn)行模式。

經(jīng)過較長時(shí)間的運(yùn)行檢驗(yàn)證明，真正實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟啟動(dòng)和膠帶輸送機(jī)軟啟動(dòng)合二為一。通過電機(jī)慢速啟動(dòng)帶動(dòng)膠帶機(jī)緩慢啟動(dòng)，將膠帶內(nèi)貯存的能量緩慢釋放，幾乎對膠帶不造成損害，設(shè)備啟動(dòng)特性平穩(wěn)，極大降低了設(shè)備的維護(hù)檢修量，同時(shí)節(jié)能效果明顯。隔爆變頻調(diào)速裝置以其特有的軟啟動(dòng)特性和較高的性價(jià)比，成為礦山井下膠帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展方向。

4.2 變頻器軟啟動(dòng)在膠帶機(jī)中的應(yīng)用

使用變頻器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)直連滾筒，通過設(shè)置變頻器輸出電流頻率由0Hz到設(shè)定頻率的變化時(shí)間，就可設(shè)置膠帶機(jī)軟啟動(dòng)的啟動(dòng)時(shí)間。為盡量減少膠帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)對電機(jī)及膠帶機(jī)各部件的沖擊，啟動(dòng)時(shí)間可設(shè)置成10s以上。變頻器啟動(dòng)力矩大，尤其適合重載啟動(dòng)，這對膠帶機(jī)十分有利。膠帶機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于環(huán)境惡劣，經(jīng)常發(fā)生各類緊急停車故障，一旦重載停車，由于耦合器在軟啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)速度過快，且對多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的膠帶機(jī)無法做到各電機(jī)的功率平衡，易造成電機(jī)過載停車，對滾筒和聯(lián)軸器等設(shè)備的損害十分大。改用變頻器后可通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率的大小來實(shí)現(xiàn)各電機(jī)的功率平衡，在啟動(dòng)過程中通過降低電機(jī)的頻率可實(shí)現(xiàn)在小電流下的大功率輸出，最大程度降低了對電機(jī)及膠帶機(jī)的損傷。

變頻器的另一重要用途是驗(yàn)帶功能。膠帶機(jī)的日常檢修工作中一個(gè)很重要的任務(wù)就是在膠帶運(yùn)行時(shí)檢修膠帶的磨損情況。但是，如果在滿速情況下很難清楚地看到膠帶的破損部位。該礦北部膠帶輸送機(jī)使用的4套變頻調(diào)速裝置可以設(shè)置兩種頻率啟動(dòng)。在現(xiàn)場應(yīng)用中，將第一個(gè)頻率設(shè)置為40Hz(根據(jù)采區(qū)煤量多少自行調(diào)節(jié))、第二個(gè)頻率設(shè)置為10Hz，對應(yīng)4.5m/s的滿速速度，能實(shí)現(xiàn)接近0.9m/s的驗(yàn)帶速度。與使用耦合器作為傳動(dòng)裝置相比，空載時(shí)電耗僅為50%，重載時(shí)節(jié)省30%。

4.3 變頻調(diào)速技術(shù)在電機(jī)車電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

電機(jī)車是礦井軌道運(yùn)輸?shù)闹饕獱恳O(shè)備。其中，架線式牽引機(jī)車多年來一直沿用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高和維修費(fèi)用大的直流電動(dòng)機(jī)，而且目前國內(nèi)絕大多數(shù)礦山牽引機(jī)車還在使用觸頭電阻調(diào)速方式，處于耗電量大與維修量大的狀態(tài)。變頻調(diào)速牽引機(jī)車采用故障率低和性能可靠的三相異步交流鼠籠式電動(dòng)機(jī)，結(jié)合技術(shù)先進(jìn)與節(jié)電效果顯著的變頻調(diào)速器，取代了直流電機(jī)車比較落后的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，達(dá)到當(dāng)代世界先進(jìn)技術(shù)水平。

由于工作環(huán)境特點(diǎn)所致，礦用電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)處于頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)和加減速等狀態(tài)，還要適應(yīng)負(fù)荷上下坡和顛簸路況等情況，因此要求電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)。另外，調(diào)速系統(tǒng)不但要能四象限運(yùn)行，還要能再生制動(dòng)到低速。這樣，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，轉(zhuǎn)速就能迅速下降，而電動(dòng)機(jī)輸出功率基本不變，從而使電動(dòng)機(jī)不易因負(fù)載增大而引起過載。反之，當(dāng)負(fù)載變小時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能自然上升，以利于提高生產(chǎn)效率。此外，為防止主輪打滑，調(diào)速系統(tǒng)還應(yīng)考慮具有最大轉(zhuǎn)矩限幅的功能。由于逆變器和電動(dòng)機(jī)都安裝在電機(jī)車上，所以整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)得體積小、重量輕、硬件結(jié)構(gòu)簡單和控制方便。對于直接轉(zhuǎn)矩控制而言，在高速運(yùn)行階段，除電動(dòng)機(jī)定子電阻，不需知道其他參數(shù)，所以直接轉(zhuǎn)矩控制對電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴性比矢量控制要低許多。其產(chǎn)品包括5t、8t和10t隔爆型電動(dòng)機(jī)斬波調(diào)速控制裝置，目前已廣泛應(yīng)用于以電池為動(dòng)力源的、交流電動(dòng)機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)的礦山電機(jī)車上。