變頻調(diào)速技術(shù)原理及其在礦產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用思考

摘要 在對變頻調(diào)速技術(shù)原理及其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，分析了變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦帶式運(yùn)輸機(jī)以及提升機(jī)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 變頻調(diào)速；煤礦系統(tǒng)；煤礦提升機(jī)

中圖分類號 TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)051-0174-02

當(dāng)前，在我國煤礦提升系統(tǒng)及運(yùn)輸設(shè)備的調(diào)速系統(tǒng)中，主要采用的依然是交流繞線電阻的調(diào)速方式，相關(guān)的調(diào)速設(shè)備包括繼電器、觸點(diǎn)型接觸器等，其結(jié)果負(fù)責(zé)，且電氣的接觸點(diǎn)容易受電弧燒傷，且長時(shí)間置放于空氣中也容易被氧化，且功耗相對較大。隨著礦井的現(xiàn)代化建設(shè)，必須對礦井的調(diào)速設(shè)備進(jìn)行改造。而變頻調(diào)速技術(shù)成為了該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)有效途徑和方式。

1 變頻調(diào)速技術(shù)原理及其優(yōu)點(diǎn)

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)的原理

傳統(tǒng)的煤礦調(diào)速系統(tǒng)采用的是交流電阻調(diào)速方式，在運(yùn)行的過程中存在著使用效率較低，功耗大等方面的問題。而變頻調(diào)速技術(shù)，就是通過對改變調(diào)速電機(jī)的輸入電源的頻率的方式，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速得到改變。其使用的根本原理就是根據(jù)電機(jī)的負(fù)載情況及其變化要求對電機(jī)的電流頻率進(jìn)行改變，并結(jié)合電壓的變化與調(diào)節(jié)，在電機(jī)不同轉(zhuǎn)速的情況下，確保其具有最高的運(yùn)行效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低電機(jī)功耗，改善電機(jī)啟動(dòng)性能，降低電機(jī)及其附屬設(shè)備免于遭受瞬時(shí)沖擊，延長電機(jī)工作壽命，同時(shí)還能提高煤礦設(shè)備工作精確程度的目的。根據(jù)相關(guān)資料的調(diào)查，采用變頻調(diào)速技術(shù)的煤礦系統(tǒng)可以使得其功耗降低40％左右。

1.2 煤礦調(diào)速設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

隨著電子技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，新型的大型功率器件得到了不斷的開發(fā)和應(yīng)用，采用變頻調(diào)速技術(shù)的調(diào)速設(shè)備在各種機(jī)械及電器設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。在煤礦系統(tǒng)中主要以對既有的提升機(jī)電控設(shè)備的改造及應(yīng)用為主。傳統(tǒng)的交流調(diào)壓調(diào)速設(shè)備主要的優(yōu)勢是系統(tǒng)簡單，價(jià)格低廉，而變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于具有較大的調(diào)速范圍，速度的平滑性能極好，能達(dá)到很大的控制精度，電機(jī)的響應(yīng)速度很快，且具有較硬的機(jī)械特性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)四象限可逆運(yùn)行等。在調(diào)速性能方面基本上可以與直流調(diào)速方式相媲美。更重要的一點(diǎn)是變頻調(diào)速系統(tǒng)在節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢。例如，在對交流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)一般不會(huì)在最大符合下運(yùn)行，在采用變頻調(diào)速技術(shù)后可以使得系統(tǒng)具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，尤其是對電機(jī)在加速及爬行運(yùn)行過程中進(jìn)行控制，能夠有效的提高其運(yùn)行效率，達(dá)到降低能耗的目的。同時(shí)，還可以最大限度的降低系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)成本，促進(jìn)煤礦系統(tǒng)朝著節(jié)能、安全、高效的方向發(fā)展和提高。

2 變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)在帶式運(yùn)輸機(jī)中的應(yīng)用

這里采用VACON公司與上海申地公司生產(chǎn)的BPJl-250/660型礦用安全變頻設(shè)備及對應(yīng)的控制系統(tǒng)。其中，其采用的變頻器是由32位CPU進(jìn)行控制，并使用具有當(dāng)前先進(jìn)水平的絕緣柵雙極晶體管作為功率輸出器件。其使用的脈沖寬度調(diào)制開關(guān)具有較高的頻率，采用的磁通電流控制功能可以有效的改善電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及機(jī)械特性。多個(gè)變頻器的連接方式為主從聯(lián)動(dòng)，主機(jī)與變頻器的數(shù)據(jù)交換采用的是RS485接口是吸納。該系統(tǒng)的變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)原理如圖1所示。

2.1.1 變頻設(shè)備的主電路

變頻設(shè)備的主電路包括：輸入、整流、濾波、逆變四個(gè)主要部分。輸入的三相交流電經(jīng)過整流與濾波設(shè)備之后成為直流，然后經(jīng)過逆變設(shè)備逆變成為電壓、頻率可以任意調(diào)整的三相交流點(diǎn)。在直流中間環(huán)節(jié)并聯(lián)有大電容，在其作用下使得主電路的直流電壓處于一個(gè)平穩(wěn)變化的狀態(tài)，其內(nèi)阻變化較小，具備電壓電源的特性。在調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中，由于電機(jī)屬于感性負(fù)載，其中并聯(lián)的電容同時(shí)也起到了緩沖無功功率的儲(chǔ)能作用。逆變電路中采用的是絕緣柵雙極晶體管，其每個(gè)橋臂都包括一個(gè)絕緣柵雙極晶體管和一個(gè)反向并聯(lián)的二續(xù)流二極管。其中的續(xù)流二極管主要是給負(fù)載的滯后電流提供一個(gè)和直流電源形成反饋的通道。同時(shí)，為了達(dá)到減少電流諧波的影響，提高電機(jī)的運(yùn)行性能，這里采用的是對稱的三相正弦波電源，而逆變器的控制方式為正弦波脈寬調(diào)制（SPWM），使得電網(wǎng)的側(cè)功率因數(shù)以及波形等得到了明顯的改善，其主電路原理如圖2所示。

2.1.2 變頻器主從機(jī)的控制

四個(gè)變頻器之間通過RS485+的轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互交換。在使用的過程中可以將其中任意一個(gè)設(shè)為主機(jī)，并作為變頻器群控當(dāng)中的首機(jī)，在實(shí)際的控制過程中只對主機(jī)進(jìn)行控制就能夠?qū)崿F(xiàn)對其他從機(jī)的運(yùn)行控制，形成了一個(gè)良好的主、從關(guān)系控制運(yùn)行范式。在設(shè)置的過程中，將主機(jī)與從機(jī)的相關(guān)事件參數(shù)設(shè)置為一致，諸如加減速時(shí)間等。在機(jī)群全部停機(jī)或者是從機(jī)單獨(dú)和電機(jī)連接時(shí)，可以采用單獨(dú)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行的方式。在對主、從機(jī)的功率平衡進(jìn)行調(diào)整是，通過顯示屏對功率平衡系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)0％～200％之間可調(diào)。一旦主從機(jī)不平衡度超過設(shè)定值，兩者將自動(dòng)對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保主從機(jī)的功率平衡。

2.2 變頻調(diào)速技術(shù)在提升機(jī)中的應(yīng)用

如上面所述，傳統(tǒng)煤礦系統(tǒng)提升設(shè)備的調(diào)速系統(tǒng)采用的是交流電阻式調(diào)速，存在著若干的缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)，應(yīng)該采用變頻調(diào)速技術(shù)和相關(guān)的設(shè)備對之加以改造，最終實(shí)現(xiàn)在全頻率范圍之內(nèi)對電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩控制目的。就煤礦系統(tǒng)中用到的提升機(jī)而言，一般可以通過這樣兩種改造方案實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速設(shè)備的改造：兩象限變頻器帶能耗制動(dòng)以及四象限能量回饋?zhàn)冾l器。根據(jù)煤礦中所采用的提升設(shè)備及使用要求，可以采用不同的改造方案。對于雙筒提升機(jī)，由于經(jīng)常處于工作狀態(tài)，一般采用兩象限變頻器帶能耗制動(dòng)的方式，其節(jié)能率在15％～20％之間。而對于單絞筒提升機(jī)，或者是經(jīng)常處于負(fù)力提升狀態(tài)的提升設(shè)備，一般以采用四象限能量回饋?zhàn)冾l器的改造放啊，其節(jié)電率可以達(dá)到30％～35％。煤礦提升設(shè)備的變頻調(diào)速改造方案如圖3所示。

采用變頻調(diào)速方案的煤礦提升設(shè)備具有五個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：①控制精度較高，一般的變頻器都采用磁通矢量控制的方式，這樣就使得交流電機(jī)的調(diào)速控制效果幾乎可以和直流電機(jī)的調(diào)速性能相媲美，達(dá)到極高的控制精度，同時(shí)能夠適應(yīng)礦井的自動(dòng)化改造；②具有極高的工作可靠性。由于變頻器都采用了壽命較長的電子器件，其保護(hù)功能較為完善，在用于絞車等提升設(shè)備中可以提高工作的可靠程度；③降低了對設(shè)備的維護(hù)時(shí)間，提高了設(shè)備的額運(yùn)行效率；④具有較寬的調(diào)速范圍。由于變頻調(diào)速屬于無級調(diào)速，在電機(jī)低速工作時(shí)也具有良好的穩(wěn)定性，在調(diào)速過程中可以較小對纜繩的沖擊，提供纜繩的使用壽命；⑤采用變頻器之后，傳統(tǒng)的電控調(diào)速設(shè)備空間大大的減小，電控設(shè)備控制室的占地面積大大減小。

3 結(jié)束語

變頻調(diào)速技術(shù)在對交流設(shè)備運(yùn)行速度的控制方面具有先天的優(yōu)勢，在采用了變頻器調(diào)速技術(shù)對煤礦系統(tǒng)的帶式運(yùn)輸機(jī)及提升設(shè)備改造之后，使得煤礦系統(tǒng)在技術(shù)先進(jìn)性和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益等方面具有極大的優(yōu)勢。同時(shí)，使用變頻調(diào)速設(shè)備之后，有效的降低了煤礦系統(tǒng)設(shè)備的日常維護(hù)工作量，減少了井下操作人員的工作強(qiáng)度，改善了工作人員的工作環(huán)境。

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