變頻調速技術在煤礦電機中的應用研究

張旭鋒

（山西煤炭運銷集團泰山隆安煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036600）

引言

對于我國各行業(yè)來說，煤炭企業(yè)消耗的電量是極多的，且消耗電力所需的成本投入也占據了其全部生產成本的極大部分，尤其是這一過程中的通風、提升以及排水等相關裝置的耗電數量極大，約占整個系統(tǒng)耗電總量的75%左右。因受到開始裝置型號選擇的影響，不少裝置實際運行時，無法滿足最大生產能力的要求，造成電能出現極大的浪費。煤炭企業(yè)要想進一步節(jié)約成本、改善產品質量，必須通過采取節(jié)能降耗的相關措施。而通過應用變頻調速技術，將煤炭企業(yè)中主要的耗能裝置加以合理改造，對于企業(yè)的節(jié)能減排以及工藝的進步均有極為重要的作用。由于變頻調速擁有非常優(yōu)良的調速功能，且設備的開啟與制動過程非常平穩(wěn)，可以滿足企業(yè)實現節(jié)能減排以及改善生產效率目標的相關要求。

1 變頻調速技術的優(yōu)勢

以往煤礦開采過程中，所應用到的電機大多都是用直流的方式進行驅動的，且電機型號也都是直流串激型電動機。這種類型的電機擁有相對優(yōu)良的牽引特性，若是負載轉距變大，則電機的轉速會有所減少。此種類型的電機共包含兩種不同的調速方式：其一，是主回路串電阻方式進行調速；其二是直流斬波裝置方式調節(jié)。采用主回路串電阻方式進行調速，相對來說較為簡單，不過卻會消耗較多的能量。若是采用直流斬波的方式進行調節(jié)，則能夠明顯減少能源的消耗。但由于直流電機自身存在一些缺陷，通過調速的方法還是不能避免。和以上兩種方法比較而言，采用變頻調速的方法，后序的維護工作相對少，電機啟動過程中擁有相對大的轉距值，可以更好地調節(jié)電機的轉速，同時還能減少電能的消耗，有效節(jié)約成本。在進行調速的過程中，電機速度的變化非常平穩(wěn)，對于電網所帶來的影響相對較小，是未來電機調速的主要方式。由于采用變頻調速的方法具備相對優(yōu)良的節(jié)能性，更加符合現代工業(yè)中對于環(huán)保的要求。同時，在科技快速發(fā)展的過程中，變頻調速設備的生產成本同樣會不斷降低[1]。所以，其在煤礦企業(yè)中的應用也定會更為廣泛。

2 變頻調速技術在煤礦電機中應用要點

1）當電機調速采用變頻調速技術時，可能會形成一些較大的電流，從而對電機帶來一定的損壞。一般情況下，當電源擁有相對大頻率時，電機所擁有的轉速也會增大，他們之間是存在正比例關聯性的。若是想避免電流對電機造成損壞的問題，則能夠通過應用正弦脈寬調節(jié)電路，應用此電路完成對電源頻率的任意調節(jié)，同時還能對電機所擁有的轉速進行任意的調節(jié)，并可以達到無級調速的目的。

2）在電機處于平滑的轉速情況下極易發(fā)生死區(qū)問題。而經過相關研究表明，低奇次的諧波存在極易誘發(fā)電機出現死區(qū)問題。這種情況下，能夠通過多重化的結構對此類問題加以解決。對于不同重所具有的相位差進一步優(yōu)化或者是進一步的優(yōu)化輸出的波形等方法，均可以有效降低諧波的出現[2]。

3）變頻調速方案。首先，能夠應用AC/DC的調節(jié)方法，使得公共電網之中的交流電轉化為直流電。再經由AC/DC的調節(jié)方法，將直流電再次的轉化為交流電。此時的交流電頻率能夠達到負載的要求。

3 變頻調速技術在煤礦皮帶系統(tǒng)中的應用

泰山隆安礦井田面積20.319 6 km2，設計年生產能力240萬t。我礦目前主運輸皮帶、北集中主運大巷輸皮帶，通過應用變頻調速技術，以提高電機的功率因數，使電機效率能夠被更加有效的利用[3]。

3.1 變頻調速技術的原理

依據電機學的相關理論，電機所擁有的同步轉速大小可以通過下式進行計算：

式中：p為電機中定子繞組所具有的磁極對數；f為電機的電源頻率大小。

對于某一個電機來說，其所擁有的磁極對數相對來說是固定不變的。所以，若想調節(jié)同步轉速，對電源的頻率大小進行調節(jié)便能夠實現。由此可知，電機的電源頻率大小和同步轉速之間的關系是成正相關的。若電機的電源頻率不斷增加，相應電機的轉速也會不斷增加。而若電機的電源頻率不斷遞減，相應電機的轉速也會相應的減小。上述通過對電源頻率大小的調控，來改變電機轉速的技術，便是變頻調速技術。

而異步電機所擁有的轉速公式為：

式中：s為電機所擁有的轉差率。

若是電機所擁有的轉差率是最優(yōu)值，此時對電機所擁有的轉速進行調節(jié)，同樣可以通過對電機電源的頻率進行調節(jié)。而要想使電機無論處于何種轉速的條件下，都能夠處于額定的磁通內運行，則應當在對電源頻率調節(jié)的同時，保證對輸出電壓基波的幅值也進行同步呈比例的調節(jié)。通過改變定子供電頻率的大小，完成對電機進行較寬范圍之中的無極變速調整。

3.2 變頻調速技術在集中主運大巷運輸皮帶中的應用

該皮帶系統(tǒng)由于涉及到下山皮帶，皮帶纏繞比較復雜，因此在驅動過程中會產生能量回饋。南翼主運輸皮帶采用的是IPC控制系統(tǒng)，以及多臺變頻器共同驅動皮帶運行，系統(tǒng)控制示意圖如圖1所示。

變頻器主要負責根據皮帶的負載情況，實時調節(jié)電機的功率，其是通過應用三角載波信號和相應的正弦信號進行比對，并將其當成是產生信號。若參考信號所擁有的幅值有所波動，那么，信號的脈寬同樣會出現變化，也會導致回路之中的輸出電壓出現變化。采用此種技術對電機的轉速進行調節(jié)，是最為常見的調節(jié)方法。若是參考信號頻率有所波動，那其定會對輸出電壓頻率的大小帶來一定的影響。采用正弦脈寬調節(jié)方式對電機的轉速進行調節(jié)時，其最突出的特征便是處于半周期之內脈沖的中心線距離值是一樣的，同樣脈沖的振幅也是一致的。而通過調整脈沖所擁有的寬度值，便能夠確保正弦波下方相應的面積大小和，不同脈沖所擁有的面積之和是成正比例相關的。

圖1 集中主運大巷運輸皮帶系統(tǒng)控制示意圖

通過采用此種變頻調節(jié)方式，不僅可以實現速度的精確控制，使其穩(wěn)定運行，提高功率因數使電機效率得到有效利用，優(yōu)化了皮帶系統(tǒng)其他設備的使用壽命；而且能夠良好的處理能量回饋，在很大程度上解決了多臺變頻器驅動過程中的功率平衡問題。能夠保證在驅動過程中多臺電機、變頻器之間功率、轉矩、轉速、電流的相對平衡。

3.3 變頻調速技術在北集中大巷皮帶中的應用

我煤礦北集中大巷皮帶走勢基本平緩，坡度較小，因此采用電壓型變頻器控制系統(tǒng)控制。系統(tǒng)控制示意圖如圖2所示。

圖2 北集中大巷皮帶系統(tǒng)控制示意圖

在變頻調速各種方式中，采用V/F的調節(jié)方式是相對簡便的。特別是對于轉速的控制精度要求不高，且在對電機的動態(tài)性能要求不高時更為適用。所以，此種控制方法應用得最為廣泛，在煤礦企業(yè)中用到的電機其負載類型是屬于牽引型負。此種類型的電機不要求具有相對高精度的轉速調控。因此，較為適宜通過V/F的控制方式對電機的轉速進行調控。由于煤礦在井下開采作業(yè)中，巷道設計的長度通常很長，所以，電機的直流架線長度也相對較長，使得電機的供電電壓會在相對大的范圍內波動。所以，所應用的調速系統(tǒng)最適宜的是通過轉速開環(huán)、電壓閉環(huán)以及電流截止負反饋的調節(jié)方法，對電機的轉速加以調節(jié)。采用此種調節(jié)方式，若是在電路中電機所存在的負載值較大或者是發(fā)生堵轉問題時，此時電機的電流值將迅速增大，會較電機額定電流高出非常多。通過應用限制調節(jié)裝置，能夠有效控制電路中電流的大幅波動，可以有效保護電機以及調速設備。因為煤礦之中的直流架線距離值較長，所以，相應的供電電壓值便在很大程度上受到了直流架線的長度影響，從而使供電電壓值存在相對大的波動。在進行變頻調速時，為了更好地滿足電路中所擁有的這一特征。對于輸出電壓的調節(jié)時，采用閉路調節(jié)的方式，這樣進行V/F調控的過程中，便可以確保壓頻比保持不變。

北集中皮帶驅動系統(tǒng)于2015年年底開始調試，2016年2月投入使用。該系統(tǒng)是典型的電壓型變頻器驅動系統(tǒng)，很好的實現了傳動皮帶的平滑啟動、無級變速。而且在驅動過程中可以實現速度的精確控制、穩(wěn)定運行，同時提高了功率因數使得電機效率得到有效利用，并且優(yōu)化了皮帶系統(tǒng)其他設備的使用壽命。變頻器自帶欠壓、過壓、過流、過載、過熱以及失速等各種保護功能。

4 結語

變頻調節(jié)技術和電阻調速技術對比而言，擁有自身獨特的優(yōu)勢，在運行過程中更加穩(wěn)定，在使用期間也無需投入太多的維護成本，同時相關的調頻設備投資也不大，未來在煤礦電機的調速中將會得到廣泛的應用。

參考文獻

[1]吳震，張文磊.變頻調速技術在工業(yè)大型電機上的應用設計[J].科技視界，2016（12）：115-116

[2]李希芝，張則景，青玉芝，等.電機變頻調速系統(tǒng)原理分析與改進[J].電工技術，2016（8）：51；74

[3]王剛.變頻調速技術在煤礦電機中的應用研究[J].機械管理開發(fā)，2016（9）：89-90；140.