變頻技術(shù)的使用原理及在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

梁碧碧

晉城煤業(yè)集團(tuán)發(fā)展與建設(shè)局（048000）

近年來(lái),國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)展現(xiàn)了良好的發(fā)展趨勢(shì)，各類(lèi)新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備、新手段得到了廣泛的應(yīng)用,特別是在煤礦機(jī)電設(shè)備的升級(jí)與改造中，變頻技術(shù)的應(yīng)用具有重要的意義。與傳統(tǒng)的煤炭機(jī)電設(shè)備相比，應(yīng)用變頻技術(shù)的新型煤炭機(jī)電設(shè)備具有高效、節(jié)能、安全的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益具有積極的作用。

1 變頻技術(shù)的使用原理與發(fā)展情況

變頻技術(shù)主要是指通過(guò)改變交流電頻率的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)于交流電的自動(dòng)化控制，是一種現(xiàn)代化的無(wú)附加轉(zhuǎn)差損耗調(diào)速方式。在變頻技術(shù)的使用中，根據(jù)機(jī)電設(shè)備的負(fù)載變化情況，實(shí)現(xiàn)其自身功能的變化，從而有效提升電機(jī)的運(yùn)行效率。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外在變頻技術(shù)使用原理方面的研究取得了較多的成果，其發(fā)展情況主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1）在機(jī)電設(shè)備的功率器件方面,經(jīng)過(guò)了GTR與IGBT的更替，逐步發(fā)展為先進(jìn)的智能功率模塊。

2）在機(jī)電設(shè)備的控制理論方面，壓頻比控制方式的應(yīng)用日趨廣泛，而且進(jìn)行大幅的技術(shù)改造，轉(zhuǎn)矩直接控制、矢量控制等方式變頻器中也得到了普遍的應(yīng)用，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊自?xún)?yōu)化控制等新型控制方式成為主流研發(fā)方向。

3）機(jī)電設(shè)備調(diào)速系統(tǒng)的集成程度不斷提高，先后經(jīng)歷了單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器、精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)、高級(jí)專(zhuān)用集成電路的發(fā)展歷程，有效提高了調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

4）在機(jī)電設(shè)備的功能方面，變頻器的自動(dòng)化、綜合化程度明顯提升,不但具有基本的調(diào)速功能，而且內(nèi)置參數(shù)辨識(shí)、可編程序、通信等新功能。

2 變頻技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)于煤炭資源的需求量逐年遞增，客觀要求煤炭行業(yè)更加注重生產(chǎn)效率與質(zhì)量的提升。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各地區(qū)頻繁出現(xiàn)煤礦安全事故，其引發(fā)因素是多方面的，其中機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)安全系數(shù)較差是不容忽視的原因之一。因此，在煤礦機(jī)電設(shè)備中，合理應(yīng)用變頻技術(shù)是十分必要的。

2.1 在煤礦采煤機(jī)中的應(yīng)用

采煤機(jī)是煤礦生產(chǎn)的主要機(jī)電設(shè)備之一，通常需要在較為惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，例如：礦井中的濕度較高、粉塵較大，對(duì)于采煤機(jī)的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定的影響。目前，國(guó)內(nèi)在采煤機(jī)中應(yīng)用的變頻技術(shù)以能量回饋型四象限運(yùn)行的交流變頻調(diào)速器為主，該技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。應(yīng)用變頻技術(shù)的采煤機(jī)具有功率大、電壓穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

2.2 在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用

目前,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的礦井提升機(jī)中，變頻技術(shù)的應(yīng)用以PLC控制系統(tǒng)、高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)為主:1）礦井提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)PLC控制，強(qiáng)化了其提升全過(guò)程的速度控制、位置控制與動(dòng)態(tài)畫(huà)面監(jiān)視，絞車(chē)系統(tǒng)的保護(hù)功能也符合電磁兼容性的基本技術(shù)要求。2）在礦井提升機(jī)的高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常采用單元串聯(lián)多電平的能量回饋型四象限高壓變頻控制系統(tǒng)，其不但有利于提高低壓控制電路與高壓主電路之間的通訊能力,而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性與抗干擾能力。

2.3 在水泵中的應(yīng)用

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)煤礦開(kāi)采工作的實(shí)際需要,水流量需要長(zhǎng)期處于變工況的運(yùn)行狀態(tài)，而在水泵流量的調(diào)節(jié)時(shí)，一般是通過(guò)機(jī)械調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)，但是水泵電機(jī)長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)嚴(yán)重影響水泵運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，國(guó)內(nèi)普遍采用變頻技術(shù)進(jìn)行煤礦水泵的節(jié)能改造,在相同的排水量下，水平的電機(jī)功率、電流都會(huì)明顯下降，功率因數(shù)則明顯提高，并且延長(zhǎng)了水泵的使用壽命，減少了水泵的維護(hù)量和成本。

2.4 在煤礦通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

通風(fēng)機(jī)在煤礦生產(chǎn)中的作用是不容忽視的，特別是在大中型煤礦中,通風(fēng)機(jī)一般需要全天運(yùn)轉(zhuǎn)，如果不能采取必要的技術(shù)改造措施，有可能造成嚴(yán)重的電能浪費(fèi)現(xiàn)象。應(yīng)用變頻技術(shù)進(jìn)行煤礦通風(fēng)機(jī)的改造后,通過(guò)軟啟動(dòng)的方式避免了較大電流的沖擊，控制程序的自動(dòng)化設(shè)定則實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)的隨時(shí)啟動(dòng)與停止。另外，在煤礦通風(fēng)機(jī)中應(yīng)用變頻技術(shù)可以降低其工作過(guò)程的機(jī)械強(qiáng)度與電氣沖擊，明顯延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

2.5 在井下絞車(chē)電控系統(tǒng)中的應(yīng)用

在煤礦機(jī)電設(shè)備的電控系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)中,采用變頻調(diào)速技術(shù)時(shí)輸入電源為660 V、50 Hz,電壓的允許波動(dòng)范圍為-15%～+10%,允許頻率的波動(dòng)范圍為±2.5%，輸出功率為200kW，輸出頻率在0～50Hz之間連續(xù)可調(diào)。應(yīng)用變頻技術(shù)后，井下絞車(chē)電控系統(tǒng)的過(guò)載能力將明顯增強(qiáng),負(fù)載變化在-120% ～+120%額定負(fù)載時(shí)，可以滿(mǎn)足四象限的運(yùn)行要求。在井下絞車(chē)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)用變頻技術(shù)具有提升自動(dòng)轉(zhuǎn)矩的功能，可以保證100%額定轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，在井下絞車(chē)電控系統(tǒng)中，應(yīng)用變頻技術(shù)具有欠壓、過(guò)壓、斷相、過(guò)流及功率元件過(guò)熱等保護(hù)功能。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，在現(xiàn)代煤礦機(jī)電設(shè)備中，變頻技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，但是仍然存在一定的技術(shù)難題尚未解決，為了全面提升機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行效率與安全性，在今后的變頻技術(shù)應(yīng)用中，必須注重其專(zhuān)業(yè)化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化的發(fā)展需求。

[1]徐甫榮.高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用時(shí)間[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.

[2]時(shí)均龍.大功率變頻技術(shù)在膠帶運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用[J].山東煤炭科技,2010(4).