變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦提升機(jī)中的應(yīng)用

吳仲?gòu)?qiáng)，星躍明，張壽安

山東裕隆礦業(yè)集團(tuán)有限公司唐陽(yáng)煤礦，山東濟(jì)寧 272508

0 引言

提升機(jī)是煤礦企業(yè)井下應(yīng)用最廣泛的設(shè)備之一，在整個(gè)提升運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。同時(shí)它也是煤礦耗電量較大的設(shè)備之一，而應(yīng)用變頻技術(shù)于煤礦提升機(jī)中，不僅能減少耗電量，節(jié)約電能，而且操作方便，運(yùn)行平穩(wěn)能滿足當(dāng)下礦井運(yùn)輸?shù)陌踩?、可靠性要求，并降低了煤礦企業(yè)的成本，因此說(shuō)變頻技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 提升機(jī)的分類

1.1 按用途分

1）主井提升機(jī)。主井提升機(jī)的任務(wù)是專門提升井下生產(chǎn)的煤炭。年產(chǎn)30萬(wàn)噸以上的礦井，主井提升容器多采用箕斗；年產(chǎn)30萬(wàn)噸以下的礦井，一般采用罐籠或串車；2）副井提升機(jī)。副井提升機(jī)的任務(wù)是提升矸石、廢料、下方材料，升降人員和設(shè)備等。副井提升容器采用普通罐籠和串車。

1.2 按提升機(jī)類型分

1）單繩纏繞式提升機(jī)。單繩纏繞式提升機(jī)是目前大部分為等直徑圓柱型滾筒，在個(gè)別的老礦井，還有使用變直徑滾筒提升機(jī)；2）多繩摩擦式提升機(jī)。多繩摩擦式提升機(jī)可分為塔式和落地式。

1.3 按拖動(dòng)方式分

按提升機(jī)電力拖動(dòng)方式分為交流拖動(dòng)提升機(jī)和直流拖動(dòng)提升機(jī)。

1.4 按井筒的傾角分

提升機(jī)按井筒傾角分為立井提升機(jī)和斜井提升機(jī)。立井提升時(shí)，提升容器采用箕斗或罐籠等。斜井提升時(shí)，提升容器一般采用礦車（串車）或斜井箕斗。串車提升適用于井筒傾角不大于25°；斜井箕斗提升適用于井筒傾角在25°～35°范圍內(nèi)。近年來(lái)大型斜井提升多采用膠帶輸送機(jī)。目前，從國(guó)內(nèi)、外礦井提升機(jī)的發(fā)展來(lái)看，都在采用最新的技術(shù)，最新的工藝，最新的材質(zhì)，使提升設(shè)備向大型化、高效率、體積小，重量輕，能力大，安全可靠，運(yùn)行準(zhǔn)確和高度集中化、自動(dòng)化方向發(fā)展。

2 變頻調(diào)速技術(shù)

變頻調(diào)速技術(shù)就是完成變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速傳動(dòng)任務(wù)的技術(shù)。它的主要內(nèi)容包括了變頻器的結(jié)構(gòu)和工作原理、所用的功率器件、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的特性、調(diào)速系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)的各類工作機(jī)械（即負(fù)載的特性和要求）。為了達(dá)到傳動(dòng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩要求、保證靜、動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定，還要應(yīng)用各種控制技術(shù)。此外，消除變頻器對(duì)外干擾和變頻器實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)也是變頻調(diào)速技術(shù)研究的范疇?？傊?，變頻調(diào)速技術(shù)是電力電子技術(shù)、電氣傳動(dòng)自動(dòng)化、控制理論、計(jì)算機(jī)等多門學(xué)科的綜合，也是一門重要的學(xué)科分支。因變頻調(diào)速具有優(yōu)點(diǎn)全面、適用面廣等特點(diǎn)，所以說(shuō)變頻調(diào)速技術(shù)將是稱為調(diào)速領(lǐng)域中的主要技術(shù)，并有統(tǒng)一調(diào)速領(lǐng)域之勢(shì)。

3 變頻調(diào)速的發(fā)展過(guò)程

3.1 變頻器采用的電力電子器件

電力電子器件是決定變頻器性能的關(guān)鍵，早期是晶閘管，由于它是半控器件，需要換相回路，后來(lái)被全控器件所取代。早期是晶閘管（SCR），被今天的全控器件所取代。今天的全控型器件，不僅可以自行開關(guān)，而且還可以提高功率；并能完善和提高變頻器的各種功能。

3.2 線路結(jié)構(gòu)

整個(gè)變頻裝置是由元器件和線路連接而成的，1990年以前，線路基本上是由模擬電路分立元器件組成的，只有少量數(shù)字電路和集成塊。以后由大規(guī)模集成的數(shù)字電路逐漸增多，20世紀(jì)末就全面數(shù)字化；整流器、逆變器、SPWM波形形成、矢量控制等，都集成為一塊，甚至集成為一體，因此裝置體積越來(lái)越小，可靠性大大提高。

3.3 計(jì)算機(jī)的使用

20世紀(jì)90年代以后，計(jì)算機(jī)進(jìn)入了變頻器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行領(lǐng)域，提供多種功能：1）取代一部分模塊的功能，如SPWM波形的生成，矢量控制的實(shí)時(shí)計(jì)算等；2）實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)并且智能化，如自監(jiān)控、自診斷；3）進(jìn)行運(yùn)行控制，如開機(jī)停機(jī)、加減速、正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)等?？傊?，計(jì)算機(jī)配合模塊及其他電氣設(shè)備，進(jìn)行協(xié)調(diào)、控制、通信、執(zhí)行變頻調(diào)速系統(tǒng)各項(xiàng)功能，成為系統(tǒng)的神經(jīng)樞紐，目前正向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

3.4 變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

應(yīng)用最廣的是交-直-交變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是逆變器為六拍三相橋，一直保持了多年，20世紀(jì)90年代以后開發(fā)成功多電平電路如功率單元串聯(lián)電路，改進(jìn)了性能，擴(kuò)大了適用面，如制作高壓變頻器及特大功率變頻器。整流器原來(lái)是單一的半控和不控整流，90年代后發(fā)展為雙SPWM和SVPWM，不僅便于作四象限運(yùn)行，還能改善網(wǎng)側(cè)的波形和功率因數(shù)。

目前國(guó)外很多公司生產(chǎn)礦井提升機(jī)用的變頻器，都采用了數(shù)字控制。如德國(guó)Ensdorf礦井提升機(jī)為雙交-交變頻器供電系統(tǒng)，由高速可編程序控制器執(zhí)行數(shù)字控制和歐洲ABB公司技術(shù)，當(dāng)時(shí)都是十分先進(jìn)的技術(shù)，今天也被IGBT變頻器供電取代。

4 變頻調(diào)速技術(shù)在提升機(jī)中的應(yīng)用

變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)中能應(yīng)付井下不同的電網(wǎng)。礦井提升機(jī)利用全新雙CPU冗余控制實(shí)現(xiàn)平臺(tái)控制，這樣就能使控制性能有大幅度提高，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩的提升功能，并不因電網(wǎng)波動(dòng)而影響負(fù)載的提升。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)中能加大提升機(jī)的負(fù)載能力，使啟動(dòng)力矩增大，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)。

4.1 直流制動(dòng)作用

當(dāng)?shù)V井很深，慣性滑行的減速度太小，使減速階段的時(shí)間太長(zhǎng)，降低生產(chǎn)率時(shí)，需要采用直流制動(dòng)方式減速。提升機(jī)中停止工作時(shí)，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)能可靠地閘住提升機(jī)，正常停車。在減速階段下放重物時(shí)，變頻器能平滑地從高速降到低速，參與提升機(jī)的控制，利用機(jī)械抱閘作用使重物停止在中間位置。當(dāng)發(fā)生緊急事故時(shí)，能迅速而合乎要求低閘住提升機(jī)，使重物不發(fā)生下滑，避免了“溜勾”現(xiàn)象。

4.2 S形速遞曲線

礦井提升機(jī)過(guò)程必須要求平穩(wěn)、安全、可靠，在副井提人時(shí)還應(yīng)保持礦井上下人員的舒適感。梯形速度圖是我國(guó)提升機(jī)運(yùn)行中廣泛采用的一種速度圖。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)中，就能使提升機(jī)連續(xù)、平滑的運(yùn)行，就能形成S型速度給定曲線。并且通過(guò)修改有關(guān)提升控制參數(shù)，無(wú)論是加速啟動(dòng)段，還是減速制動(dòng)段，都能夠?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜的控制措施。采用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅使提升機(jī)控制系統(tǒng)可靠的工作，而且基本不用維護(hù)。

4.3 節(jié)約資源

由于變頻器具有平滑調(diào)速、軟啟動(dòng)、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，變頻器應(yīng)用于礦井提升機(jī)中發(fā)揮了重要的作用：1）輸出功率連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速；2）提升機(jī)動(dòng)力制動(dòng)采用硅或可控硅整流電源裝置。采用該裝置的動(dòng)力制動(dòng)與采用機(jī)械或電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組制動(dòng)的方式相比，前者具有既能節(jié)電，又能使提升機(jī)制動(dòng)準(zhǔn)確可靠、跟隨性能好的優(yōu)點(diǎn)；3）提升機(jī)采用低頻發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)箕斗提升自動(dòng)化，縮短了提升周期，提高了提升能力，達(dá)到節(jié)約用電的目的；4）穩(wěn)壓性能好。提升機(jī)在額定功率下運(yùn)行，變頻器保證了電動(dòng)機(jī)在額定電壓下運(yùn)行，避免了因電壓高（低）對(duì)電機(jī)所造成的危害。

5 結(jié)論

實(shí)踐證明，礦井提升機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)徹底避免了繞線式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)速度無(wú)法準(zhǔn)確控制的特點(diǎn)，可靠性大大提高。隨著電子元器件性能不斷飛速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)畢竟更廣泛應(yīng)用于礦井提升機(jī)上，為煤礦企業(yè)的發(fā)展節(jié)能大量人力、物力，為礦井創(chuàng)造客觀的經(jīng)濟(jì)效益。變頻調(diào)速技術(shù)作為礦井發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)廣泛到應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，并且隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展應(yīng)用范圍將更加廣泛，發(fā)展前景將更加光明。

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