淺析煤礦主井提升電機冷卻系統(tǒng)的變頻調(diào)速技術(shù)改造

王建文

摘要：本文從一般變頻調(diào)速技術(shù)的原理入手，分析介紹了煤礦主提升機冷卻系統(tǒng)存在的問題，提出了改進方法，最后敘述了改進后的效果。

關(guān)鍵詞：煤礦提升機;電機冷卻;問題;改進

煤礦主提升機一般都是礦井的最大電力拖動設(shè)備，運行期間要消耗大量的電能，特別是在炎熱的夏季，電動機自身的散熱就成了一個大問題。如果不及時做好散熱，那么就容易損壞電動機，提升系統(tǒng)的正常運行就受到了影響。對大型電動機的散熱，有的安裝局扇，有的則安裝專用冷卻系統(tǒng)。然而，對于這些專門的冷卻設(shè)備來說，其長時間的連續(xù)運行，不但耗電量大，且還容易損壞，使得冷卻保障性也不可靠。為此，為了節(jié)約用電，增加冷卻系統(tǒng)的運行可靠性，對此提出了恒溫變頻調(diào)速改造的方案，這樣前述問題也就迎刃而解了。本文在此，就煤礦主提升機冷卻系統(tǒng)實施恒溫變頻調(diào)速改造的相關(guān)問題進行研究探討，以期對同行們進行參考。

1 一般變頻調(diào)速的基本原理

由于變極調(diào)速在調(diào)頻范圍、靜態(tài)精度、動態(tài)品質(zhì)、系統(tǒng)效率、完善的保護功能和容易實現(xiàn)自動控制以及過程控制等方面，都比以往的變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速、滑差調(diào)速和液力耦合器調(diào)速等具有較大的優(yōu)勢，也是公認的交流電動機最理想最有前途的調(diào)速方案，也代表著今后電氣傳動的發(fā)展方向?，F(xiàn)對幾種調(diào)速裝置的性能加以分析比較。

1）變極調(diào)速的原理。該調(diào)速適用不要求平滑、連續(xù)和頻繁調(diào)速的鼠籠型異步電動機。它是通過改變異步電動機定子繞組的極對數(shù)p，使電機同步轉(zhuǎn)速n0改變（n0=60f/p，f為電網(wǎng)頻率），以達到調(diào)速目的。優(yōu)點：轉(zhuǎn)差率小，轉(zhuǎn)差損耗少，使用維護方便。缺點：不能有級和平滑調(diào)速，且級差較大。

2）串級調(diào)速的原理。在繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子電路中串入一個與轉(zhuǎn)子電勢頻率相同、相位相反的附加電勢，通過改變轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。串級調(diào)速裝置可將轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)化為機械能加到負載。優(yōu)點：效率較高，節(jié)電效果好;調(diào)速裝置的容量與調(diào)速范圍成正比，范圍小時裝置容量也小，成本也較低。缺點：可控硅串級調(diào)速功率因數(shù)低，且產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)有污染;內(nèi)反饋串級調(diào)速需采用特制的內(nèi)反饋繞線式電機，還要對繞線式異步電機進行改造。串級調(diào)速只適用于調(diào)速范圍不大（70%～95%）的繞線式異步電機。

3）定子調(diào)壓調(diào)速的原理。通過改變加在異步電機定子端的電壓，使電機的機械特性發(fā)生變化，轉(zhuǎn)差率變化，轉(zhuǎn)速也將改變。優(yōu)點：線路簡單，運行比較可靠;調(diào)壓裝置體積小;使用維護簡單;便于自動控制和遠程操作。缺點：低速時轉(zhuǎn)差功率損耗大，效率低;調(diào)速特性軟;產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)有污染，對電機有影響。比較適用于大容量繞線式異步電機。

4）液力耦合器的調(diào)速原理。它適用于大功率、高轉(zhuǎn)速的鼠籠式轉(zhuǎn)子異步電機。液力耦合器是通過油在泵輪（電動機側(cè)）和渦輪（負載側(cè)）中的循環(huán)流動，泵輪將輸入的機械能轉(zhuǎn)化為油的動能和勢能，渦輪則將該能轉(zhuǎn)換為輸出的機械能，以實現(xiàn)功率的傳遞。通過勺管調(diào)節(jié)油的循環(huán)量以調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)速。液力耦合器安裝在電機與負載之間。可在電機轉(zhuǎn)速恒定的情況下，無級調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速。優(yōu)點：功率適應(yīng)范圍大，可以滿足10～10000KW不同功率的需要;結(jié)構(gòu)簡單，改造投資不大;可空載起動，無高次諧波，對電網(wǎng)也無影響;調(diào)速范圍為20%～97%，可以隔離電機和泵的振動，并緩和沖擊。缺點：有滑差損失，屬低效調(diào)速裝置;滑差功率損耗變?yōu)橛偷臒崃渴褂蜏厣?，需要冷卻設(shè)備;低速、小功率的液力耦合器造價也高;效率低，其效率與轉(zhuǎn)差成反比;液力耦合器達不到電機額定轉(zhuǎn)速;調(diào)速精度差，且不穩(wěn)定。

現(xiàn)大量使用的變頻調(diào)速，就是利用變頻器通過改變頻率實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)、調(diào)速的。它也是變極調(diào)速發(fā)展的高層次階段產(chǎn)品。

2 提升機電機冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在的問題

某礦主井提升機電機為2300KW大型直流電機。電機通過軸流風機冷卻，風機電機功率為75KW。為確保主電機冷卻效果，系統(tǒng)設(shè)計時冷卻風機采用恒轉(zhuǎn)速直接啟動方式來對主電機進行供風。在后期的日常維護過程中發(fā)現(xiàn)，在冬季設(shè)備運行時，溫度較低，在確保主電機溫度在正常范圍內(nèi)的情況下，要求的供風量較低，而由于冷卻風機采用恒轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，供風量常年維持在最高水平。顯然大大降低了設(shè)備的利用效率，設(shè)備運行的經(jīng)濟性也不高。另外，由于冷卻風機采用直接啟動方式，電機的啟動電流為額定電流的5-7倍。在如此大的電流沖擊下，接觸器和電機的使用壽命大大降低，且啟動時的機械沖擊也容易對風機軸承、扇葉、風道等造成損壞。同時，噪聲大，能耗又高等。為解決這一問題迫切需要尋求一種方式來降低電機啟動電流，以降低能耗，減少設(shè)備的損壞率。

3 提升機電機冷卻系統(tǒng)的改進方法

為了解決上述問題，通過先期的系統(tǒng)模擬，設(shè)計出了一套閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)能保證風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的及時性和準確性。該系統(tǒng)是基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)。即根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息進行控制，通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，再消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能，且抗干擾能力也強。

項目通過主提升電機內(nèi)的溫度傳感器采集信號，傳輸至PID控制器的輸入端。經(jīng)采集的信號在PID控制器內(nèi)與原設(shè)定值進行比較，利用差分信號控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)冷卻風機的轉(zhuǎn)速，以改變供風量，最終實現(xiàn)保證主提升電機在可靠的溫度下運行。保證設(shè)備的安全、可靠運轉(zhuǎn)。此次改造共使用PID控制器一臺、變頻器一臺（帶電抗器）、控制柜一臺、交流接觸器兩臺和電纜若干。

4 提升機電機冷卻系統(tǒng)的改進后效果

項目實現(xiàn)后，可根據(jù)主電機的內(nèi)部溫度實時通過調(diào)整冷卻風機轉(zhuǎn)速來改變供風量，有效的提高冷卻風機的運行效率，節(jié)能效果顯著。另外，項目實現(xiàn)后因風機運行效率提高，可有效的延長風機的使用壽命。在原有系統(tǒng)不變的情況下，增加該系統(tǒng)，即冷卻風機有兩種運行方式：變頻自動運行、工頻自動運行，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可自動切換至工頻運行。大大提高了系統(tǒng)運行的安全性、可靠性。

總之，該礦主提升電機的冷卻系統(tǒng)經(jīng)過實施變頻調(diào)速技術(shù)改造以后，有效解決了散熱性能不好、運行不可靠和耗電量大的系列問題，大大促進了主提升系統(tǒng)的安全高效運行，取得了顯著的社會經(jīng)濟效益。

參考文獻

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