煤礦機(jī)電設(shè)備中高壓變頻器的選型及實(shí)踐應(yīng)用研究

常 昊

（西山煤電集團(tuán)公司西銘礦機(jī)電科， 山西 太原 030000）

引言

高壓大容量電機(jī)被廣泛應(yīng)用于煤礦開采機(jī)械設(shè)備當(dāng)中，并成為其主要的動(dòng)力工具。在采煤機(jī)、提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)當(dāng)中都安裝有高壓大容量電機(jī)來充當(dāng)動(dòng)力，查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)其能源消耗量為煤礦總能源的40%左右。我國煤礦機(jī)械設(shè)備中的機(jī)電設(shè)備采取的調(diào)速裝置比較落后，無法滿足當(dāng)前國家節(jié)能減排的要求，造成了電能的大量浪費(fèi)。綜上所述，基于煤礦生產(chǎn)的實(shí)踐應(yīng)用，加強(qiáng)機(jī)電設(shè)備高壓變頻技術(shù)研發(fā)的應(yīng)用是非常有價(jià)值的研究。

1 高壓變頻器的工作原理

通常情況把電壓在3～10 kV的變頻器稱為高壓變頻器。在實(shí)際的使用狀況下，實(shí)現(xiàn)高壓變頻器大都是采用串聯(lián)疊加的方式[1]，即采用多臺(tái)單相三電平逆變器串聯(lián)連接，來實(shí)現(xiàn)輸出可變頻變壓的高壓交流電。通常情況下，在主電路中使用多種拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)來解決高壓變頻器的耐高壓問題，所以也常常使用三電平、功率單元串聯(lián)等拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)來命名高壓變頻器，如圖1所示。

圖1 功率單元串聯(lián)高壓變頻器要示意圖

2 機(jī)電設(shè)備中高壓變頻器的選型分析

高壓變頻器通過相應(yīng)的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)組合有多種類型，其在機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用過程中如何選型是一個(gè)關(guān)鍵問題。一般來講可以依照相應(yīng)的功率、負(fù)荷類型與控制方式等進(jìn)行選型。

2.1 依據(jù)功率進(jìn)行的高壓變頻器選型

依據(jù)功率進(jìn)行選型的主要原則有：第一，變頻與電機(jī)功率相等時(shí)，應(yīng)依照有利于高壓變頻器高效工作的原則。第二，當(dāng)變頻與電機(jī)的功率相差較大時(shí)，需要依照高壓變頻器功率保持與電機(jī)實(shí)際工作功能相近的原則。第三，對(duì)于工作繁重或是啟動(dòng)頻繁的電動(dòng)機(jī)應(yīng)選擇大點(diǎn)的高壓變頻器。第四，電動(dòng)機(jī)的工作功率有剩余時(shí)，需要選擇功率較電動(dòng)機(jī)小的高壓變頻器。第五，功率不同時(shí)還要進(jìn)行節(jié)能調(diào)節(jié)。從功率的視角來對(duì)高壓變頻器進(jìn)行選擇是比較合理的，但需要考慮電機(jī)啟動(dòng)時(shí)峰值電流對(duì)變頻器造成的影響。

2.2 進(jìn)行變頻器負(fù)載類型的選擇

煤礦機(jī)電設(shè)備的負(fù)載情況是對(duì)高壓變頻器進(jìn)行選擇的一種途徑。當(dāng)前機(jī)電設(shè)備生產(chǎn)中主要是分轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和降轉(zhuǎn)矩負(fù)載三種。一般通用的高壓變頻器能適用于機(jī)電設(shè)備的各類負(fù)載當(dāng)中，恒功率負(fù)載是通過對(duì)U/f的控制來實(shí)現(xiàn)的。

2.3 根據(jù)控制方式來選擇選型

在高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，控制的方式主要有開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制多采用無速度傳感器矢量控制和普通功能U/f控制的高壓變頻器[2]。開環(huán)控制模式的優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠性較高；其缺點(diǎn)在于調(diào)速的精度較差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性不高，不能很好的適用于低調(diào)速區(qū)域。閉環(huán)控制多采用有速度傳感器矢量控制或帶有PID控制器U/f控制的高壓變頻器，其控制方式的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速范圍高、精度較高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性也高，缺點(diǎn)在于系統(tǒng)的適用范圍只為相應(yīng)的壓力、速度和流量以及PH值等方向。

3 高壓變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備中實(shí)踐應(yīng)用

3.1 高壓變頻器在采煤機(jī)中的實(shí)踐應(yīng)用

采煤機(jī)是具有精密結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)備，但是其工作環(huán)境十分惡劣，嚴(yán)重影響著其工作性能。當(dāng)前的采煤機(jī)與PLC可編程控制器結(jié)合在一起實(shí)行全自動(dòng)、全方位的檢測監(jiān)控管理，其工作性能大大增加。高壓變頻器在采煤機(jī)中的應(yīng)用可以進(jìn)一步對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有操作簡單、靈敏操作高等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前abb acs800系統(tǒng)、g5 g7系列以及西門子的水冷系列高壓變頻器已大量應(yīng)用于國內(nèi)的煤礦采煤機(jī)當(dāng)中，通過一拖一或一拖二的調(diào)速模式實(shí)現(xiàn)其調(diào)速的目的[3]。

3.2 高壓變頻器在提升機(jī)中的實(shí)踐應(yīng)用

采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)提升機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)運(yùn)行速度的控制。當(dāng)提升機(jī)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)用變頻器控制之后，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行平緩、控制集運(yùn)行、保護(hù)安全、處理信號(hào)、制動(dòng)電子等功能與作用于一體，從而實(shí)現(xiàn)最終的節(jié)能效果。雞西礦業(yè)集團(tuán)的左有君等人對(duì)梨樹煤礦中箕斗井絞車的電控系統(tǒng)進(jìn)行高壓變頻器改造的實(shí)踐應(yīng)用后（如圖2所示），發(fā)現(xiàn)其節(jié)能效果非常明顯，改造后噸煤的電能消耗量降低了34.2%[4]，同時(shí)也節(jié)約了維修和管理費(fèi)用。

圖2 梨樹煤礦高壓變頻調(diào)速箕斗井絞車示意圖

3.3 高壓變頻器在通風(fēng)機(jī)中的實(shí)踐應(yīng)用

煤礦通風(fēng)機(jī)的作用在于對(duì)煤礦開采巷道提供風(fēng)，涉及到整個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)問題，必須加以重視和防范。通風(fēng)機(jī)是煤礦的呼吸通道，隨著開采任務(wù)的進(jìn)行，其通風(fēng)壓力也越來越大。這時(shí)就需要對(duì)通風(fēng)機(jī)的功率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，但是容易造成電機(jī)的燒壞。高壓變頻器的結(jié)合應(yīng)用就可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)電機(jī)的自由啟動(dòng)和停止，保障了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實(shí)際的高壓變頻器改進(jìn)使用過程中，還需要考慮通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的不間斷性。

3.4 高壓變頻器在井下傳送帶中的實(shí)踐應(yīng)用

煤礦井下帶式運(yùn)輸機(jī)的主要工作任務(wù)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離物料的運(yùn)輸，以確保煤炭運(yùn)輸過程中的連續(xù)性。高壓變頻技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)電機(jī)的軟啟動(dòng)目的，進(jìn)一步保證帶式運(yùn)輸機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)輸。相關(guān)技術(shù)研究表明，高壓變頻器的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)帶式運(yùn)輸機(jī)能源利用率的92%，是非常值得推廣的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)[5]。

4 結(jié)語

在國家提倡節(jié)能減排的大政策當(dāng)中，作為煤礦企業(yè)來講，在生產(chǎn)和經(jīng)營過程中需注意節(jié)能問題，進(jìn)一步降低生產(chǎn)過程中的能源消耗量，達(dá)到國家提倡的節(jié)能減排的要求。高壓變頻器的合理利用可以提高煤礦機(jī)械機(jī)電設(shè)備的靈敏度，降低能耗，提高機(jī)電設(shè)備工作的穩(wěn)定性，延長其使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]李欣.煤礦機(jī)電設(shè)備中高壓變頻器的選型及應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā)，2017（10）：50-51

[2]馮璐.煤礦機(jī)電設(shè)備中高壓變頻器的選型及應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2016，45（1）：123-124；137.

[3]王亮.煤礦機(jī)電設(shè)備中高壓變頻器的應(yīng)用與選型[J].科技傳播，2014，6（21）：117；119.

[4]趙興來，訾建新.煤礦機(jī)電設(shè)備中高壓變頻器的應(yīng)用與選型[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2013（5）：87-88.

[5]陳欽.淺析高壓變頻器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用與選型[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（22）：51.