高壓變頻器遠(yuǎn)距離供電方式在礦用刮板輸送機(jī)上的應(yīng)用

喬中棟,張存文,楊國宏,田順利

(甘肅華亭煤電股份有限公司華亭煤礦， 甘肅 平?jīng)?744000)

0 引言

刮板輸送機(jī)是綜采工作面(以下簡稱采面)主要的機(jī)械化設(shè)備之一。近年來，隨著高壓變頻器技術(shù)的發(fā)展，其被越來越多地用于驅(qū)動刮板輸送機(jī)上的電動機(jī)，以取代傳統(tǒng)的CST、組合開關(guān)、液力耦合器等。受煤層開采環(huán)境限制，高壓變頻器無法放置在狹小的采面內(nèi)，通常采用高壓變頻器放置在采面附近順槽內(nèi)的供電方式。但該方式存在很多問題，正逐步被高壓變頻器遠(yuǎn)距離供電方式所取代[1-4]。

1 高壓變頻器放置在采面附近順槽內(nèi)的供電方式存在的問題

高壓變頻器放置在采面附近順槽內(nèi)的供電方式，即將高壓變頻器及配套設(shè)備放置在距離采面附近的順槽內(nèi)的可移動設(shè)備列車上，再通過電纜連接刮板輸送機(jī)上的電動機(jī)。該方式主要存在如下問題：

1) 采面附近不安全。采面附近是煤礦事故多發(fā)帶,具有瓦斯突出，煤塵爆炸、片幫、冒頂、礦壓顯現(xiàn)等多種不安全因素。華亭煤礦2501采面順槽內(nèi)礦壓顯現(xiàn)頻繁，沖擊破壞性較大，嚴(yán)重威脅設(shè)備及人員的安全。

2) 影響生產(chǎn)效率，增加安全隱患。高壓變頻器放置在采面附近順槽內(nèi)，需要使用可移動設(shè)備列車來進(jìn)行承載。一方面，可移動設(shè)備列車需要頻繁移動，在移動過程中不能進(jìn)行煤礦開采，降低了生產(chǎn)效率；另一方面，移動設(shè)備列車操作復(fù)雜，存在安全隱患。如果巷道變形，無法通過設(shè)備列車,還需人工重新擴(kuò)大巷道，耗費(fèi)大量人力和物力。

3) 占用巷道空間，影響通風(fēng)。高壓變頻器放置在采面附近順槽內(nèi)會占用大量巷道空間，嚴(yán)重影響工作面的通風(fēng)安全。同時,還會產(chǎn)生工作面大型設(shè)備部件運(yùn)輸受阻、巷道行人不暢等問題。

2 高壓變頻器遠(yuǎn)距離供電方式在華亭煤礦的應(yīng)用情況

2.1 現(xiàn)場設(shè)備配置

華亭煤礦2501采面為了解決高壓變頻器放置在采面附近順槽內(nèi)的供電方式存在的問題，采用了高壓變頻器遠(yuǎn)距離供電的方式。該方式取消了設(shè)備列車，將高壓變頻器及配套設(shè)備放置在遠(yuǎn)離采面的固定硐室，再通過2 500 m長的電纜連接刮板輸送機(jī)電動機(jī)。詳細(xì)配置見表1。

表1 遠(yuǎn)距離供電方式現(xiàn)場設(shè)備配置

2.2 高壓變頻器遠(yuǎn)距離供電過程中遇到的問題及解決辦法

2.2.1 長線纜上的壓降損失問題

圖1 提高輸出電壓算法原理圖

2.2.2 變頻器輸出電流的諧波問題

由于變頻器和電機(jī)之間的長電纜存在很大的對地分布電容，導(dǎo)致高壓變頻器輸出電流含有很大的諧波，必須用輸出電抗器來進(jìn)行抑制。但高壓變頻器所用舊型電抗器無法滿足要求，究其原因：一是舊型電抗器的鐵心為普通硅鋼片，在高諧波電流作用下容易磁飽和而失去諧波抑制作用;二是舊型電抗器的電感量選擇不合適，它是根據(jù)變頻器滿載電流來選擇的，但實際電流只有滿載電流的一半。

為了有效抑制電流諧波，高壓變頻器更換了新型電抗器來代替舊型電抗器。為了解決鐵心磁飽和問題，新型電抗器鐵心所用的硅鋼片采用了進(jìn)口高飽和磁通密度0.25 mm有曲向硅鋼片,以代替舊型電抗器0.35 mm無曲向硅鋼片(見圖2、圖3),并且新型電抗器的電感量也根據(jù)實際電動機(jī)電流來重新選擇。

1-0.35 mm無曲向硅鋼片;2-線圈;3-氣隙。

采用新型電抗器后，相比于舊型電抗器，高壓變頻器輸出電流波形明顯改善(見圖4和圖5),電流諧波也得到了有效抑制，THD從42%降到21%。鐵心發(fā)熱也明顯降低，最高溫度從120 ℃降到60 ℃。電流諧波抑制效果明顯，滿足了使用要求。

2.2.3 電動機(jī)端高尖峰電壓問題

由于變頻器輸出電壓脈沖具有很高的du/dt，再加上輸出電纜和電動機(jī)阻抗不匹配,這會導(dǎo)致電動機(jī)端產(chǎn)生高的尖峰過電壓。試驗證明，隨著電纜長度的增加，電動機(jī)端尖峰過電壓將增大，當(dāng)超過某一長度時，其尖峰電壓近似額定電壓的2倍。如果電動機(jī)絕緣不夠，就會導(dǎo)致電動機(jī)匝間絕緣擊穿而損壞。為解決這一問題，高壓變頻器在逆變側(cè)采用中點鉗位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖6)。該結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠有效減少諧波和du/dt。同時,在變頻器內(nèi)部的輸出電抗器電感兩端并接電阻來吸收尖峰電壓。實測并電阻后，電動機(jī)端尖峰電壓從8 000 V降低到5 760 V。

1-0.25 mm有曲向硅鋼片。

圖4 舊型電抗器時電流實測波形

圖5 新型電抗器時電流實測波形

1-IGBT;2-鉗位二極管;3-電阻;4-輸出電抗器;5-長電纜;6-電動機(jī)。

3 結(jié)語

高壓變頻器遠(yuǎn)距離供電方式在華亭礦2501采面的成功應(yīng)用,不但克服了高壓變頻器遠(yuǎn)距離供電存在的難題,而且提高了煤礦生產(chǎn)效率，降低了維護(hù)成本,消除了以往方式存在的各種不安全因素,這為高壓變頻器遠(yuǎn)距離供電方式在全國煤領(lǐng)域推廣起了帶頭作用。