淺談煤礦變頻控制技術(shù)的應(yīng)用

喬海源，王 飛，任文清

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

以改變交流電機(jī)工作電源頻率的方式來控制交流電動機(jī)運(yùn)行的電力控制設(shè)備稱之為變頻器，其主要組成部分為整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元和檢測單元微處理單元。變頻器靠內(nèi)部IGBT(晶閘管)的導(dǎo)通與斷開來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，隨著煤礦自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。煤礦井下常用的變頻器主要采用交-直-交變頻方式，首先把工頻交流電源通過整流單元轉(zhuǎn)換為直流電源，再通過逆變單元將直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可調(diào)節(jié)控制的交流電源，從而控制交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，電壓等級有660 V、1 140 V、3 300 V變頻器，多用于膠帶機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、泵站、采煤機(jī)牽引控制。

1 變頻器原理

變頻器是把輸入電壓和頻率固定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可調(diào)節(jié)的交流電裝置。為了產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的電壓和頻率，該裝置首先要把電源的交流電(AC)變換為直流電(DC)，這個過程稱為整流，然后把直流電(DC)變換為交流電(AC)，此過程稱為逆變。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢l率和一定電壓的逆變電源。對于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器稱為變頻器。

變頻器輸出的電源波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機(jī)調(diào)速過程中，所以又叫變頻調(diào)速器。異步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式

n=60f/p(1-s)

(1)

式中，n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；f為電源頻率；p為電機(jī)磁極對數(shù)；s為電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。其中轉(zhuǎn)差率是電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的，不可隨意調(diào)整。電機(jī)的極對數(shù)為奇數(shù)，在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為可調(diào)，但通常只能在2個極對數(shù)之間來回切換，即電機(jī)通常只可在2種速度之間切換，是有級變速。而頻率是電機(jī)供電電源的電信號，該值能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由控制了。

變頻器在節(jié)能方式上主要有以下幾個方面。

變速節(jié)能：為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動力驅(qū)動時，都留有一定的富余量。電機(jī)正常啟動情況下不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行，除達(dá)到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。在負(fù)荷偏低時，可降低電機(jī)的運(yùn)行速度，使其在滿足轉(zhuǎn)矩要求的前提下節(jié)約電能。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從n1變到n2時，其電機(jī)軸功率P的變化關(guān)系如式(2)，由此可見降低電機(jī)轉(zhuǎn)速可得到立方級的節(jié)能效果。

P2/P1=n2/n1

(2)

動態(tài)調(diào)整節(jié)能：變頻器迅速適應(yīng)負(fù)載變動，供給最大效率電壓。變頻調(diào)速器在軟件上設(shè)有測控輸出功能，可以始終保持電機(jī)的輸出高效率運(yùn)行。

調(diào)整V/F曲線節(jié)能：在保證電機(jī)輸出力矩的情況下，可自動調(diào)節(jié)V/F曲線(幅頻曲線)，降低輸入電流，達(dá)到節(jié)能狀態(tài)。

軟啟動節(jié)能：在電機(jī)全壓啟動時，由于電機(jī)的啟動力矩需要，從電網(wǎng)吸收4～7倍的電機(jī)額定電流，而大的啟動電流既浪費(fèi)電力能源，又對電網(wǎng)的電壓波動產(chǎn)生很大損害，增加了線路損耗和變壓損耗。采用軟啟動后，啟動電流可從零逐步增加至電機(jī)額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約了電能，也減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命。

提高功率因數(shù)節(jié)能：電動機(jī)由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組通過電磁作用而產(chǎn)生力矩。對電網(wǎng)而言，阻抗特性呈感性，電機(jī)在運(yùn)行時吸收大量的無功功率，造成功率因數(shù)很低。采用變頻節(jié)能調(diào)速器后，由于其性能已變?yōu)锳C-DC-AC，在整流濾波后，負(fù)載特性發(fā)生了變化，變頻調(diào)速器對電網(wǎng)的阻抗特性呈低阻性，功率因數(shù)接近于1，減少了無功損耗。

2 變頻器在煤礦井下機(jī)電設(shè)備上應(yīng)用

2.1 變頻器在綜采采煤機(jī)上的應(yīng)用

采煤機(jī)是煤礦綜采工作面不可缺少的設(shè)備，長壁式采煤機(jī)按牽引方式可分為3種類型，即機(jī)械牽引、液壓牽引、電牽引。機(jī)械牽引采煤機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性差、效率低，現(xiàn)基本淘汰；液壓牽引采用液壓泵、液壓馬達(dá)及閥組管路系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液壓件要求精度高，而且液壓系統(tǒng)阻力大、泄露損耗大，總效率只有60%～70%左右；電牽引采煤機(jī)可分為直流電牽引采煤機(jī)和交流電牽引采煤機(jī)2種，具有控制簡單、傳動效率高，能夠適用于各種地質(zhì)條件，電牽引采煤機(jī)已成為采煤機(jī)發(fā)展主導(dǎo)方向。

采用直流電動機(jī)，用晶閘管調(diào)速裝置改變直流電動機(jī)電樞回路的電壓或磁通實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)牽引速度的無級調(diào)速，具有調(diào)速性能好、控制響應(yīng)快，能夠?qū)崿F(xiàn)各種保護(hù)、檢測和顯示，但直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電動機(jī)電刷、整流子易磨損。

如今礦用采煤機(jī)牽引多采用交流電牽引方式，利用變頻調(diào)速裝置改變輸入電機(jī)的頻率、電壓進(jìn)行調(diào)速，大多采用交-直-交變頻器控制。以美國JOY7LS采煤機(jī)為例，該采煤機(jī)變頻系統(tǒng)由1個交-直整流電源模塊BSM、2個直-交逆變器模塊組成，控制2臺交流牽引電機(jī)。當(dāng)采煤機(jī)割煤時，由遙控器啟動采煤機(jī)變頻器，三相整流模塊BSM將電源575 V交流電整流為800 V直流電壓，經(jīng)過電容器濾波，送至2個逆變器，逆變器將直流電壓逆變可控三相交流輸出頻率、電壓，給定牽引速度，可使采煤機(jī)在運(yùn)輸機(jī)上勻速往返割煤，當(dāng)采煤機(jī)截割電機(jī)電流、溫度超過額定值時，采煤機(jī)主機(jī)給變頻器發(fā)出命令，強(qiáng)制減速，直到采煤機(jī)截割電機(jī)電流、工作溫度在額定值以內(nèi)，牽引速度恢復(fù)設(shè)定值；當(dāng)采煤機(jī)牽引電機(jī)電流、溫度超過額定值時，變頻器自動降低輸出頻率，直到采煤機(jī)牽引電機(jī)電流、工作溫度在額定值以內(nèi)。

采用變頻器控制采煤機(jī)牽引電機(jī)速度，具有過流、溫度、負(fù)載平衡、漏電等完善電氣設(shè)備保護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)變頻器0～120 Hz控制輸出，而且控制反應(yīng)靈敏、牽引轉(zhuǎn)矩大、速度平穩(wěn)等良好性能，不會造成截割電機(jī)堵轉(zhuǎn)，對采煤機(jī)截割、牽引行星減速箱有良好緩沖性能，提高采煤機(jī)機(jī)械性能。

2.2 變頻器在煤礦刮板機(jī)上應(yīng)用

現(xiàn)煤礦綜采工作面煤炭輸送采用刮板運(yùn)輸機(jī)，刮板運(yùn)輸機(jī)重載啟動頻繁，經(jīng)常造成重載不能啟車、啟動電流大越級跳閘故障，嚴(yán)重制約煤礦綜采工作面正常生產(chǎn)。

刮板運(yùn)輸機(jī)的驅(qū)動方式有普通異步電動機(jī)高低速轉(zhuǎn)換、TTT偶合、CST偶合以及變頻電動機(jī)直接驅(qū)動等方式。其中最早使用的驅(qū)動方式是雙速電動機(jī)，主要特點(diǎn)是低速啟動，啟動完成后轉(zhuǎn)換為高速運(yùn)轉(zhuǎn)，其缺點(diǎn)是電機(jī)來回切換，影響正常生產(chǎn)，電機(jī)直接啟動，啟動電流大，對運(yùn)輸機(jī)刮板鏈條沖擊大，容易造成刮板斷鏈?zhǔn)鹿?；TTT耦合器軟驅(qū)動，受水質(zhì)影響較大，傳動效率低；CST偶合軟驅(qū)動，設(shè)計(jì)復(fù)雜，故障較多；采用變頻驅(qū)動，具有啟動轉(zhuǎn)矩大，運(yùn)行平穩(wěn)，檢修方便等特點(diǎn)。

變頻器驅(qū)動裝置控制簡單，刮板運(yùn)輸機(jī)正反轉(zhuǎn)及速度調(diào)整都可在變頻器控制菜單上修改，而不需要在組合開關(guān)上打隔離手把，操作方便、快捷，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)100～1 800 r/s速度設(shè)定，當(dāng)控制臺發(fā)出刮板運(yùn)輸機(jī)啟動指令時，順槽組合開關(guān)將1 140 V交流電源送至變頻一體機(jī)，通過內(nèi)部接觸器吸合后，對三相交流電源進(jìn)行整流，然后通過逆變器逆變輸出給電動機(jī)繞組，電動機(jī)按照設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

帶有變頻電機(jī)的刮板運(yùn)輸機(jī)，通過程序可以改變轉(zhuǎn)速與扭矩，可以減少機(jī)械部分的負(fù)荷，啟動時產(chǎn)生的高扭矩電網(wǎng)負(fù)荷較低，可以在驅(qū)動裝置間分配最佳的負(fù)荷，可實(shí)現(xiàn)無次數(shù)限制的啟停，可以大幅度提高鏈條、鏈輪和溜槽的使用壽命，可以實(shí)現(xiàn)更長的工作面。

通過變頻器可以設(shè)定刮板運(yùn)輸機(jī)以較低速度運(yùn)行，檢修工可方便查看運(yùn)輸機(jī)刮板、鏈條磨損情況；為了便于生產(chǎn)組織，當(dāng)刮板運(yùn)輸機(jī)負(fù)荷增大時，刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行速度下降，轉(zhuǎn)矩增大，采煤機(jī)司機(jī)可以降低采煤機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)；變頻電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流小，可滿足綜采刮板運(yùn)輸機(jī)重載啟動，而不影響電網(wǎng)電壓；變頻驅(qū)動有過載、漏電、接地、短路、功率平衡、溫度等完善保護(hù)功能，且具有啟動轉(zhuǎn)矩大，啟停平穩(wěn)、啟動電流小的特點(diǎn)；能實(shí)現(xiàn)在各種負(fù)載情況下的平滑啟動、調(diào)速、停車等功能，能消除機(jī)械及電氣沖擊，延長電氣設(shè)備、機(jī)械設(shè)備使用壽命；使用多臺變頻電機(jī)驅(qū)動刮板運(yùn)輸機(jī)，各變頻器之間互相通信，自動調(diào)節(jié)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)多臺電機(jī)之間動態(tài)功率平衡。

2.3 變頻器在煤礦膠帶機(jī)上應(yīng)用

膠帶輸送機(jī)的帶面是一種彈性體，在啟動時皮帶會積蓄大量能量。隨后，皮帶內(nèi)貯藏的能量將很快釋放，在皮帶上形成張力并逐漸達(dá)到最大值時，極易引起皮帶斷裂。煤礦膠帶輸送機(jī)啟動裝置主要有液力耦合器、CST、變頻器，液力耦合器、CST啟動都是直接軟啟動，啟動電流大、帶速不可調(diào)，變頻器啟動可使系統(tǒng)緩慢加載、平穩(wěn)啟停，減小皮帶上張力，將膠帶輸送機(jī)啟停時產(chǎn)生的沖擊減至最小。

使用變頻調(diào)速電機(jī)的膠帶機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在電機(jī)特征曲線內(nèi)無級變速，啟動時間無限制，在額定扭矩可以無限制的啟停，隨時根據(jù)運(yùn)送人員和物料設(shè)置不同速度，多電機(jī)時自動的平衡負(fù)載。

目前部分礦用變頻器為十二脈沖整流變頻器，能有效降低電路諧波含量，具有過載、過電壓、欠電壓、過熱、漏電、接地、短路等保護(hù)功能，且配有液晶顯示屏實(shí)時顯示各工作狀態(tài)；具有啟動轉(zhuǎn)矩大、啟停平穩(wěn)等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)在各種負(fù)載情況下的平滑啟動、調(diào)速、停車等功能，減弱機(jī)械及電氣沖擊，延長設(shè)備使用壽命。當(dāng)膠帶機(jī)啟動時，設(shè)定膠帶機(jī)加載時間，變頻器通過整流、逆變，輸出低頻率、大轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)慢速加載，帶動膠帶機(jī)緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)，膠帶機(jī)張緊裝置張緊皮帶，實(shí)現(xiàn)膠帶緩慢加速到正常運(yùn)轉(zhuǎn)速度，整個啟動過程平滑、平穩(wěn)、減少對皮帶沖擊；當(dāng)皮帶停止時，變頻器按照預(yù)定的減速時間，斜坡減速到零速，停止變頻器輸出，膠帶機(jī)停機(jī)平穩(wěn)。采用變頻器控制多臺電機(jī)驅(qū)動，變頻器之間相互通信，從而實(shí)現(xiàn)每臺驅(qū)動之間功率平衡；節(jié)能效果明顯，采用攝像頭調(diào)速，當(dāng)攝像頭檢測到膠帶機(jī)煤量減少時，降低膠帶機(jī)速度，降低電機(jī)功率輸出，達(dá)到節(jié)能效果。現(xiàn)煤礦煤炭運(yùn)輸多采用膠帶機(jī)輸送，具有輸送距離長、啟動轉(zhuǎn)矩大、多臺電機(jī)驅(qū)動等特點(diǎn)，采用變頻器驅(qū)動膠帶機(jī)可實(shí)現(xiàn)上述功能。膠帶機(jī)變頻器主回路電氣原理如圖1所示。

圖1 膠帶機(jī)變頻器主回路電氣原理Fig.1 Electrical principle of frequency converter of belt conveyor

2.4 變頻器在煤礦乳化液泵站上應(yīng)用

煤礦乳化液泵站多采用異步電動機(jī)直接驅(qū)動，啟動電流大，電動機(jī)是持續(xù)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，不能根據(jù)工作面實(shí)際液壓需求自動調(diào)節(jié)供液量，柱塞持續(xù)做功，加快曲軸箱、閥體部件磨損，液壓系統(tǒng)不能完全利用，不僅造成了電能的浪費(fèi)，同時乳化液泵站電機(jī)長時間全速運(yùn)轉(zhuǎn)，增大了機(jī)械磨損，縮短了使用壽命。

采用變頻器控制乳化液泵站，將液壓系統(tǒng)壓力信號數(shù)據(jù)傳送至變頻器，當(dāng)系統(tǒng)管路壓力升高并超過給定值，變頻器可以通過降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使管路系統(tǒng)流量減小，管路壓力降低到給定值；當(dāng)管路系統(tǒng)壓力低于給定值，變頻器可以增大電機(jī)轉(zhuǎn)速，使管路壓力增加到給定值。采用變頻器控制乳化液泵站，節(jié)能效果明顯，同時也實(shí)現(xiàn)了軟起動，降低液壓系統(tǒng)對管路沖擊，減少了“爆管子”現(xiàn)象。

3 結(jié)語

變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的生產(chǎn)工藝、低成本維護(hù)和保養(yǎng)、節(jié)省能源效果優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單且造價低廉、啟動轉(zhuǎn)矩大、啟停平穩(wěn)、功率損耗小、消除機(jī)械及電氣沖擊，顯著提高設(shè)備使用壽命。變頻器拖動同一帶式負(fù)載時，各變頻器之間自動調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多臺之間的動態(tài)功率平衡。

變頻器適合自動化程度高、控制要求高的環(huán)境，變頻控制系統(tǒng)開放化程度高，可完成主控系統(tǒng)提出的各種工況需求，可隨時對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改，無控制系統(tǒng)則不能工作。多電機(jī)驅(qū)動時自動平衡負(fù)載隨著煤礦機(jī)電拖動設(shè)備功率增加，采用變頻器控制優(yōu)點(diǎn)顯著，變頻器控制很容易實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，只需改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序，即可實(shí)現(xiàn)輸出換相，不存在因換相不當(dāng)而燒毀電動機(jī)的問題；變頻調(diào)速系統(tǒng)具有良好啟動性能，不僅設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度可任意設(shè)定，而且可進(jìn)行較高頻率的啟停；采用變頻調(diào)速后，節(jié)能效果明顯提升，變頻器控制技術(shù)在煤礦得到廣泛應(yīng)用。