變頻技術(shù)在煤礦流體負(fù)荷設(shè)備中的應(yīng)用研究

常志丹

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046600）

引言

煤礦流體負(fù)荷設(shè)備主要指礦井排水設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備，它們?cè)诿旱V日常生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有關(guān)鍵作用。排水設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)將采掘工作面或其他涌水點(diǎn)涌出的水收集后經(jīng)井下排水系統(tǒng)及時(shí)排至地面，確保工作面的場(chǎng)地環(huán)境符合生產(chǎn)要求；通風(fēng)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)把井下工作面、巷道等場(chǎng)所的污濁氣體置換為新鮮空氣，確保井下的氣體環(huán)境符合要求，同時(shí)附帶排出煤礦開(kāi)采過(guò)程中的生產(chǎn)熱量的作用，確保煤礦安全開(kāi)采。

1 變頻技術(shù)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的流體負(fù)荷設(shè)備采用50 Hz 固定頻率交流電直接控制，在設(shè)備突然降速或停止過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，破壞用電設(shè)備穩(wěn)定，感應(yīng)電流作用下產(chǎn)生大量的電阻熱，會(huì)降低流體負(fù)荷設(shè)備和電動(dòng)機(jī)的可靠度和使用年限；傳統(tǒng)的流體負(fù)荷設(shè)備使用恒壓交流電驅(qū)動(dòng)流體負(fù)荷設(shè)備，當(dāng)流體負(fù)荷設(shè)備啟動(dòng)或負(fù)載降低時(shí)，供電系統(tǒng)不能根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整供電系統(tǒng)的電力輸出，造成大量能源浪費(fèi)，對(duì)設(shè)備的耐久性產(chǎn)生不利影響[1]。變頻技術(shù)使用整流設(shè)備將供電系統(tǒng)輸出的恒定頻率交流電變?yōu)橹绷麟?，然后?jīng)變頻裝置作用轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢钥刂祁l率的交流電，將常用的50 Hz 固定頻率的交流電，轉(zhuǎn)換為頻率可以調(diào)整的交流電，根據(jù)流體設(shè)備的負(fù)載情況調(diào)整供電系統(tǒng)的電流輸出頻率，在流體負(fù)荷設(shè)備突然降速或停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，變頻供電系統(tǒng)能及時(shí)降低電網(wǎng)的電流輸出頻率，從而降低電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生感應(yīng)電流大小，減少電阻熱的產(chǎn)生，提高了用電設(shè)備的穩(wěn)定性和耐久性；變頻技術(shù)結(jié)合PLC 智能控制技術(shù)，能根據(jù)流體負(fù)荷設(shè)備的負(fù)載情況，及時(shí)調(diào)整供電系統(tǒng)的電能輸出，當(dāng)流體負(fù)荷設(shè)備啟動(dòng)或降低負(fù)載時(shí)，在PLC 智能系統(tǒng)的控制下，變頻設(shè)備能及時(shí)降低供電系統(tǒng)的輸出功率，避免電能的浪費(fèi)[2]，保證設(shè)備的平穩(wěn)持久運(yùn)行。

2 變頻技術(shù)的作用機(jī)理

2.1 傳統(tǒng)的流體設(shè)備控制特點(diǎn)

流體負(fù)荷設(shè)備的使用過(guò)程中，供電網(wǎng)路輸出電流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)M 產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)速N1，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)流體負(fù)荷設(shè)備產(chǎn)生帶動(dòng)轉(zhuǎn)速N2，流體負(fù)荷設(shè)備啟動(dòng)、正常運(yùn)轉(zhuǎn)、突然降速和停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)和流體負(fù)荷設(shè)備的相對(duì)轉(zhuǎn)速與感應(yīng)電流的關(guān)系如圖1 所示，T 表示流體負(fù)荷設(shè)備突然降速或停止運(yùn)轉(zhuǎn)的瞬時(shí)時(shí)刻，橫坐標(biāo)H 表示電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速與流體負(fù)荷設(shè)備帶動(dòng)轉(zhuǎn)速之差，三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為H=N1-N2，縱坐標(biāo)I表示感應(yīng)電流大小和方向。圖1 中A 表示流體負(fù)荷設(shè)備啟動(dòng)或正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速N1大于等于流體負(fù)荷設(shè)備的帶動(dòng)轉(zhuǎn)速N2，H≥0，相對(duì)轉(zhuǎn)速成逆時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)方向切割電磁場(chǎng)，產(chǎn)生的感應(yīng)電力與供電系統(tǒng)的輸出電流方向相同，是有益電流；圖1 中B 表示在T 時(shí)間點(diǎn)，流體負(fù)荷設(shè)備突然降速或停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速N1小于等于流體負(fù)荷設(shè)備的帶動(dòng)轉(zhuǎn)速N2，H≤0，相對(duì)轉(zhuǎn)速呈順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)方向切割電磁場(chǎng)，產(chǎn)生的感應(yīng)電力與供電系統(tǒng)的輸出電流方向相反，破壞供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低流體負(fù)荷設(shè)備的可靠度，是有害電流；相反的感應(yīng)電流方向影響電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，產(chǎn)生一定的電阻熱，增加了電動(dòng)機(jī)和流體負(fù)荷設(shè)備的損耗，降低了電動(dòng)機(jī)用電設(shè)備和流體負(fù)荷設(shè)備的穩(wěn)定性和耐久性，感應(yīng)電流的輸出功率為有害功率。

圖1 相對(duì)轉(zhuǎn)速與感應(yīng)電流的關(guān)系

因此，當(dāng)流體負(fù)荷設(shè)備突然降速或停轉(zhuǎn)的瞬間，電動(dòng)機(jī)和流體負(fù)荷設(shè)備間產(chǎn)生的感應(yīng)電流為有害電流，降低有害的感應(yīng)電流大小，有利于提高電動(dòng)機(jī)和流體負(fù)荷設(shè)備的穩(wěn)定性和耐久性，但傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)輸出的為50 Hz 恒定頻率的交流電壓，先天決定了它不能根據(jù)流體負(fù)荷設(shè)備負(fù)荷的大小調(diào)整自己的頻率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與流體負(fù)荷設(shè)備的帶動(dòng)轉(zhuǎn)速間的相對(duì)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，降低供電系統(tǒng)降低輸入電流的頻率可以降低感應(yīng)電流量的大小。當(dāng)流體負(fù)荷設(shè)備突然降速或停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)降低輸入電流的頻率，可以降低有害的感應(yīng)電流的大小，從而保護(hù)電動(dòng)機(jī)和流體負(fù)荷設(shè)備的安全使用，提高電動(dòng)機(jī)和流體負(fù)荷設(shè)備的可靠度。

2.2 變頻技術(shù)的優(yōu)越性

變頻技術(shù)的作用機(jī)理如圖2 所示，將供電系統(tǒng)內(nèi)50 Hz 固定頻率的交流電通過(guò)整流器，供電系統(tǒng)輸出的交流電變?yōu)橹绷麟娸斎胱冾l設(shè)備，直流電通過(guò)變頻設(shè)備后變?yōu)轭l率可控的交流電，結(jié)合PLC 智能化控制技術(shù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的流體負(fù)荷設(shè)備的負(fù)載情況，及時(shí)調(diào)整供電系統(tǒng)的電能輸出，在流體負(fù)荷設(shè)備突然降速或停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻供電系統(tǒng)能及時(shí)降低電網(wǎng)的電流輸出頻率，同時(shí)減少電阻熱的產(chǎn)生，提高了用電設(shè)備的穩(wěn)定性和耐久性。

圖2 變頻技術(shù)的作用機(jī)理

3 變頻技術(shù)與PLC 技術(shù)的結(jié)合

在把變頻技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)流體負(fù)荷設(shè)備系統(tǒng)的過(guò)程中，需要把變頻技術(shù)和PLC 智能監(jiān)測(cè)控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)，變頻技術(shù)負(fù)責(zé)把恒定頻率的交流電轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電，PLC 智能控制技術(shù)則充當(dāng)中央處理器的作用，它根據(jù)監(jiān)測(cè)到的流體負(fù)荷設(shè)備的負(fù)載變化控制變頻系統(tǒng)調(diào)整供電系統(tǒng)輸出電流的頻率。當(dāng)流體負(fù)荷設(shè)備突然降速或停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在PLC 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)及時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載的變化，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入控制器中，控制器中預(yù)先存入的邏輯語(yǔ)句對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行及時(shí)的判斷，當(dāng)邏輯結(jié)果為真時(shí)，將降頻控制信號(hào)經(jīng)輸出模塊的轉(zhuǎn)換傳遞給變頻系統(tǒng)，控制變頻系統(tǒng)降低輸入電流的頻率，從而降低流體負(fù)荷設(shè)備的能耗，優(yōu)化機(jī)械系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)，同時(shí)節(jié)約了大量的能源。

為了增強(qiáng)流體負(fù)荷設(shè)備的耐久性能，減少設(shè)備的故障率，結(jié)合變頻技術(shù)和PLC 智能監(jiān)測(cè)控制技術(shù)設(shè)計(jì)一種集監(jiān)測(cè)、控制于一體的自動(dòng)變頻系統(tǒng)嵌入流體負(fù)荷設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)。自動(dòng)變頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是：

1）供電系統(tǒng)內(nèi)50 Hz 固定頻率的交流電通過(guò)二極管整流器整流后，把供電系統(tǒng)輸出的恒定頻率的交流電變?yōu)橹绷麟娸斎胱冾l設(shè)備，直流電通過(guò)變頻設(shè)備后變?yōu)轭l率可控的交流電，根據(jù)PLC 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)輸出模塊輸出的控制信號(hào)及時(shí)調(diào)整輸入頻率的大小，從而降低流體負(fù)荷設(shè)備突然降速或停轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流。

2）PLC 檢測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)流體負(fù)荷設(shè)備的監(jiān)測(cè)和識(shí)別[3]。PLC 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的模塊如圖3 所示，系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)模塊、輸入模塊、控制模塊和輸出模塊組成。PLC 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)利用單片機(jī)技術(shù)，集監(jiān)測(cè)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)控制等為一體嵌入到流體負(fù)荷設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，當(dāng)遇到流體負(fù)荷設(shè)備突然降速或停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能及時(shí)收集、反饋實(shí)時(shí)信息，經(jīng)控制模塊中預(yù)先存入的邏輯判斷語(yǔ)句的判斷，及時(shí)控制供電系統(tǒng)輸入電流的頻率。在控制模塊中預(yù)先編程邏輯判斷語(yǔ)句，當(dāng)電流降低幅度達(dá)到一定值后，自動(dòng)變頻系統(tǒng)控制供電系統(tǒng)降低輸入電流的頻率，控制模塊中預(yù)先設(shè)定的電力變化值一般由流體負(fù)荷設(shè)備使用單位統(tǒng)計(jì)流體負(fù)荷設(shè)備突然降速或停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電流的降低幅度值經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后確定。設(shè)計(jì)完成的自動(dòng)變頻系統(tǒng)能夠?qū)?0 Hz 恒壓交流電轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)流體負(fù)荷設(shè)備突然降速或停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電流的降低幅度，能控制供電系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整輸入電流的頻率，在保護(hù)電動(dòng)機(jī)和流體負(fù)荷設(shè)備的安全使用，提高電動(dòng)機(jī)和流體負(fù)荷設(shè)備的可靠度的同時(shí)，控制供電系統(tǒng)降低輸入電流的頻率，從而降低流體負(fù)荷設(shè)備的能耗。

圖3 PLC 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)組成模塊

4 自動(dòng)變頻系統(tǒng)在流體負(fù)荷設(shè)備中的應(yīng)用

煤礦流體負(fù)荷設(shè)備在煤礦日常生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有關(guān)鍵作用，煤礦開(kāi)采過(guò)程中使用的流體負(fù)荷設(shè)備較多，易損壞，故障維修率高，能源消耗大，給煤礦生產(chǎn)用電造成一定壓力。自動(dòng)變頻系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)流經(jīng)電動(dòng)機(jī)電流突然降速的幅度，識(shí)別流體負(fù)荷設(shè)備的負(fù)載狀態(tài)，并控制供電系統(tǒng)輸入電流的頻率，提高了電動(dòng)機(jī)和流體負(fù)荷設(shè)備的可靠度，降低了流體負(fù)荷設(shè)備的能源成本。根據(jù)上述自動(dòng)變頻系統(tǒng)的作用機(jī)理，統(tǒng)計(jì)了2021 年3 月20 日現(xiàn)場(chǎng)流體負(fù)荷設(shè)備突然降速或停止運(yùn)轉(zhuǎn)瞬間電動(dòng)機(jī)電流變化趨勢(shì)，如下頁(yè)圖4 所示。從圖4 中可以發(fā)現(xiàn)，2021 年3 月20日，現(xiàn)場(chǎng)流體負(fù)荷設(shè)備共發(fā)生三次突然降速或停止轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)流體設(shè)備突然降速或停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流發(fā)生明顯下降，下降幅度超過(guò)60%，在流體負(fù)荷設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行自動(dòng)變頻系統(tǒng)時(shí)，在PLC 控制模塊中設(shè)置預(yù)警值60%。自動(dòng)變頻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，整流變頻裝置把供電系統(tǒng)內(nèi)50 Hz 固定頻率的交流電通過(guò)二極管整流器整流后，變?yōu)轭l率可控的交流電；PLC監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流體負(fù)荷設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流變化，并將電流變化的幅度轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)輸入PLC 系統(tǒng)控制模塊，在PLC 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中預(yù)先編程控制語(yǔ)句；當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流降低幅度大于60%時(shí)，邏輯結(jié)果為真，然后把控制模塊輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)輸出模塊轉(zhuǎn)換為可以被自動(dòng)變頻設(shè)備識(shí)別的電信號(hào)，控制自動(dòng)變頻系統(tǒng)降低供電系統(tǒng)的輸入電流頻率，從而提高電動(dòng)機(jī)和流體負(fù)荷設(shè)備的耐久性和穩(wěn)定性，減少能源的損耗。

圖4 流體負(fù)荷設(shè)備突然降速或停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)電流變化

運(yùn)行結(jié)果表明，自動(dòng)變頻設(shè)備能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流體負(fù)荷設(shè)備的負(fù)載變化，通過(guò)整流變頻設(shè)備及時(shí)調(diào)整輸入電流，在提高電動(dòng)機(jī)和流體負(fù)荷設(shè)備的耐久性和穩(wěn)定性，減少能源的損耗方面具有重要意義。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤礦開(kāi)采作業(yè)逐漸趨于自動(dòng)化、精細(xì)化，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備使用方法逐漸無(wú)法適應(yīng)精細(xì)化煤炭開(kāi)采的需求。自動(dòng)變頻技術(shù)因其在提高設(shè)備可靠度、降低設(shè)備能耗方面的優(yōu)勢(shì)逐漸成為煤礦智能化研究的熱點(diǎn)。分析了變頻技術(shù)的作用機(jī)理，與傳統(tǒng)的流體負(fù)荷設(shè)備使用方法相比，變頻技術(shù)可以有效提高設(shè)備的可靠度，降低能源的消耗率。結(jié)合變頻技術(shù)和PLC 智能化控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一種自控變頻控制系統(tǒng)。自動(dòng)變頻技術(shù)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流體負(fù)荷設(shè)備的突然降速或停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并控制變頻裝置調(diào)整供電系統(tǒng)輸入電流的頻率，具有一定的實(shí)用價(jià)值。