變頻器在煤礦機電設(shè)備中的研究應(yīng)用

楊 武

陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司

變頻器在煤礦機電設(shè)備中的研究應(yīng)用

楊 武

陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司

變頻技術(shù)是集合自動化控制、電力電子、通信等技術(shù)于一體的高科技技術(shù)，具有比較理想的調(diào)速性能和顯著的節(jié)能作用，主要用于交流電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。本文簡述了變頻器調(diào)速技術(shù)的原理，介紹和分析了變頻器在煤礦機電設(shè)備中的應(yīng)用，討論了變頻技術(shù)的發(fā)展方向。

變頻；調(diào)速；煤礦；機電

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源問題日益嚴(yán)重，煤炭在我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中煤炭資源占到60%以上，而煤礦用的大型機電設(shè)備裝機容量不斷擴大，資源消耗逐年增加，而且經(jīng)常處于輕載運行狀態(tài),效率非常低，電源浪費非常嚴(yán)重，尤其是在我國電力資源仍然相對比較短缺的情況下，煤炭工業(yè)節(jié)能增效迫在眉睫；通過變頻技術(shù)采用變頻器調(diào)速，可以避免對電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈波動，既可減小設(shè)備啟動電流，又可增大啟動轉(zhuǎn)矩，還可實現(xiàn)軟停機，有效地降低設(shè)備電耗，提高設(shè)備使用壽命，給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。

1 變頻器簡述

1.1 變頻器變速原理

電動機轉(zhuǎn)速公式為:

n=60f/p（1-s）

式中:n—電動機的轉(zhuǎn)速，r/min；f—電源的頻率，Hz；p—電動機的磁極對數(shù)；s—電動機的轉(zhuǎn)差率。

由于電動機的磁極對數(shù)通常是固定不變的，即使改變磁極對數(shù)，電動機轉(zhuǎn)速也是有極差的，也不可能達(dá)到無極調(diào)速；因此，電動機要想實現(xiàn)無極調(diào)速主要取決于電源頻率；通過控制半導(dǎo)體原件的通斷，將頻率和電壓固定不變的交流電轉(zhuǎn)換成為頻率和電壓都可以根據(jù)實際情況自由調(diào)節(jié)的交流電，這就是變頻器實現(xiàn)無極變速的工作原理。

1.2 變頻器控制方式

變頻器通過什么工作方式負(fù)載稱之為變頻器的控制方式。常見的控制方式有電壓頻率比（V/F）控制、脈沖寬度調(diào)制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。

電壓頻率比控制是異步電動機變頻調(diào)速的最基本控制方式，它是通過改變電壓和頻率之比來調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)矩，以滿足不同負(fù)載的要求；矢量控制變頻調(diào)速是通過控制東東集的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，將交流電動機等效為直流電動機，得到和直流電動機相類似的控制性能。脈沖寬度調(diào)制控制是指按照脈沖波規(guī)律調(diào)制輸出電壓中各脈沖寬度，使其平均值為該脈沖波形，依據(jù)電動機運動電流對該脈沖波調(diào)幅、調(diào)相，最終使電動機按照負(fù)載要求穩(wěn)定運行。

直接轉(zhuǎn)矩控制是采用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進行直接控制，滿足負(fù)載要求。

1.3 變頻器的發(fā)展方向

變頻器以其很好的調(diào)速、節(jié)能性能正不斷擴大應(yīng)用領(lǐng)域，通用變頻器的發(fā)展方向主要是多種控制方式兼容、開環(huán)/閉環(huán)都可用、適應(yīng)性強、適用面廣；通過功率母線技術(shù)、單元串聯(lián)多電平、“無電網(wǎng)污染”的高壓變頻器、微機和人工智能控制等技術(shù)，提高了功率因數(shù)、減少了電網(wǎng)公害、改善了對環(huán)境的影響；可編程控制器（PLC）是一種非常普遍應(yīng)用范圍非常廣泛的工業(yè)控制裝置，通過PLC控制變頻器的頻率可以起到適應(yīng)傳動系統(tǒng)中對速度控制靈活性、準(zhǔn)確性、可靠性等不同要求，這也是變頻器研究的一個主要方向。

2 變頻器在煤礦機電設(shè)備中的應(yīng)用研究

2.1 變頻器在煤礦帶式輸送機中的應(yīng)用

煤礦帶式輸送機在啟動加速、停車減速及負(fù)載變化或者其他情況導(dǎo)致張力變化時不僅會對電網(wǎng)電壓造成沖擊，而且動態(tài)張力波在膠帶中傳播和疊加導(dǎo)致輸送機振動劇烈、機械損害嚴(yán)重，甚至?xí)鹉z帶斷裂，縮短設(shè)備使用壽命。

運用變頻器后電動機實現(xiàn)無級調(diào)速后，輸送機加減速過程非常平滑，機械振動的強度大大降低，減少了設(shè)備維護量，延長了設(shè)備使用壽命；電流沖擊小，通過移相變壓器，實現(xiàn)了多脈沖整流，減小了對電網(wǎng)的沖擊，且無功電流小，提高了電網(wǎng)的利用率；變頻調(diào)速范圍寬，可恒轉(zhuǎn)矩運行，實現(xiàn)了重載是平穩(wěn)啟動，也可根據(jù)負(fù)載情況，自動調(diào)整輸出頻率和輸出力矩，進一步降低輸送機的能耗。

2.2 變頻器在煤礦提升機系統(tǒng)中的應(yīng)用

煤礦提升機系統(tǒng)在機械動力啟動電機或部分連接到軸和齒輪時，將產(chǎn)生劇烈的振動，加劇機械部件的磨損，減少提升設(shè)備和電機的使用壽命；當(dāng)電機直接啟動時，瞬時電流為額定電流的好幾倍，不僅會加大電機繞組電應(yīng)力，產(chǎn)生的大量熱量，減少電機的壽命，而且瞬時的浪涌電流、電壓波動巨大，引起電網(wǎng)的峰谷差較大，且可能導(dǎo)致同一電網(wǎng)上其他電壓敏感設(shè)備產(chǎn)生故障跳閘或異常運行。

利用變頻調(diào)速技術(shù)，模擬低頻發(fā)電機的運行方式，在保持輸出頻率不變的情況下，根據(jù)控制要求和實際運行速度，控制變頻器輸出電壓的信號變化，自主調(diào)控提升機的升降狀態(tài)，不僅可實現(xiàn)平穩(wěn)可靠的制動，大大減少了機械部件的振動沖擊和磨損，而且可使提升機實現(xiàn)軟啟動，科學(xué)合理的改變電機的運行速度，以適應(yīng)不同的負(fù)荷要求，可平滑加速和減速，保證提升機安全平穩(wěn)的運行。

2.3 變頻器在煤礦通風(fēng)機系統(tǒng)中的應(yīng)用

通風(fēng)機是煤礦安全生產(chǎn)的主要大型設(shè)備，它不僅要確保巷道通風(fēng)順暢，有充足的新鮮風(fēng)量供井下人員呼吸，而且可以將煤層中滲出的各種有害氣體從井下排除，使其濃度降低到無害于人體的程度，因此必須每天24小時不間斷運轉(zhuǎn)。但是隨著礦井工作面的開采和掘進巷道的不斷延伸，要求風(fēng)量不斷加大，風(fēng)機功率也將加大，而且隨著四季的交替，冷熱的變化，礦井所需的風(fēng)量也需要不斷調(diào)節(jié)，所以一般煤礦通風(fēng)機及電動機的功率設(shè)計都遠(yuǎn)大于正常生產(chǎn)所需要的運行功率，這就造成了電源的極大浪費。

高壓變頻器應(yīng)用在煤礦主通風(fēng)機系統(tǒng)后，調(diào)速平滑方便，實現(xiàn)了軟啟動和停止，不僅降低了對電網(wǎng)的沖擊，避免了因主扇風(fēng)機直接啟動，瞬間電流過大，可能燒壞電動機的現(xiàn)象；而且風(fēng)機運行是的電氣沖擊和機械強度也大大降低了，延長了風(fēng)機的使用壽命；變頻器根據(jù)井下的實際需求的風(fēng)量，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，低速輸出轉(zhuǎn)矩加大，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩寬調(diào)速范圍驅(qū)動，避免了大馬拉小車的情況發(fā)生，提高了系統(tǒng)運行效率，達(dá)到了節(jié)能效果，給企業(yè)帶來了巨大經(jīng)濟效益。

3 總結(jié)

煤礦機電設(shè)備采用變頻調(diào)速后，客服了設(shè)備重載多機啟動電流大、各電機負(fù)載不均勻、容易引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動等現(xiàn)象，提高了電動機轉(zhuǎn)速的控制精度和運行效率，減少了設(shè)備的維修工作量，增強了設(shè)備的安全性與可靠性，保證了企業(yè)的安全生產(chǎn)，節(jié)省了維修費用和大量的電能，增加了企業(yè)的經(jīng)濟效益。交流變頻調(diào)速技術(shù)成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)重要發(fā)展方向，越來越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的許多領(lǐng)域。

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