變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦的應用

溫玉婷

(黑龍江煤炭職業(yè)技術(shù)學院，黑龍江 雙鴨山 155100)

1 提升系統(tǒng)中的應用

(1)直流制動的作用。當重車需在井筒中間停車時，變頻器由高速平滑地降到低速，隨之施加一個直流制動信號使提升機停止，機械制動起作用后方可去掉直流制動信號，使重車靠機械抱閘的作用停在中間。啟動時先對電機施加一個直流制動信號，當檢測到機械抱閘打開方可去掉直流制動信號，加上啟動電壓，提升機轉(zhuǎn)動。機械抱閘抱緊狀態(tài)一直在變頻器檢測下，一旦機械抱閘打開馬上給電機施加直流制動信號，避免重車“溜勾”現(xiàn)象。

(2)S形速度曲線。為減少運行的機械沖擊，在變頻器啟動與停止過程中最好做到加速度是連續(xù)的，即S形加、減速曲線。當井下及井口停車傾角很小時，要求提升機運行速度很低，否則會出現(xiàn)“松繩”現(xiàn)象。另外，井筒罐道要求變頻器能以不同頻率工作。根據(jù)現(xiàn)場情況，變頻器可設(shè)置5個頻率段主令控制器的不同位置對應不同的直流控制電壓，即對應不同的運行頻率。

(3)自動限速保護。當運行接近終點時給出一個減速信號，接到此減速信號后，如主令控制器已操作減速，則變頻器按主令控制器的操作改變運行速度;若收到減速信號后主令控制器沒有正常操作，則自動啟動機內(nèi)的自動減速程序，將變頻器工作頻率按預定要求逐步改變?yōu)榈退龠\行。這對于預防“過卷”是十分必要的。此外，當提升機帶有測速發(fā)電機給出超速信號時，變頻器也能自動減速。

(4)連鎖開機功能。提升機開機須按給出命令操作。當給出“上行”或者“下行”命令的時候，如人員操作與命令不符，連鎖功能就對此操作不響應，變頻器不啟動。連鎖功能是保證安全運行的重要措施。

(5)對再生能量的處理。變頻器的主回路采用雙向逆變方案。

2 礦井主扇風機實現(xiàn)自動化調(diào)頻控制

(1)系統(tǒng)自動化控制。PLC接到運行指令時，判斷運行機號和運行方式。若為低頻方式則驅(qū)動低頻接觸器吸合，延時0.4s發(fā)出變頻器運行令，電機啟動至設(shè)定頻率風門絞車開啟扇風機進風門，前導器執(zhí)行機構(gòu)打開扇風機前導器，使扇風機進入工作狀態(tài)。若為工頻方式則控制風機降壓啟動，當啟動電流降至設(shè)定值時停掉降壓啟動接觸器，吸合運行主接觸器，風機轉(zhuǎn)入全速運行狀態(tài)，30s后風門及前導器自動打開。

(2)風量閉環(huán)控制。風機低頻運行時，風量由給定信號控制。該信號與風量傳感器反饋信號同時進入PLC的A/D模塊，經(jīng)CPU比較調(diào)節(jié)后，輸出信號由D/A模塊送至變頻器頻率設(shè)定接口，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，從而改變風機轉(zhuǎn)速。

(3)風機低頻故障轉(zhuǎn)換。PLC在風機低頻運行中自動檢測變頻器運行情況，變頻器出現(xiàn)高中時自動切除低頻系統(tǒng)使風機轉(zhuǎn)入工頻運行。

(4)電機過流保護。電機變送器將主回路電路電流信號轉(zhuǎn)換后送入CPU內(nèi)部功能存貯器，CPU在每個掃描周期將該數(shù)據(jù)與內(nèi)部電流設(shè)定值比較，超過設(shè)定值即進行保護。

(5)風門行程精確控制。PLC開閉風機風門時，安裝在風門絞車主軸上的軸編碼器將風門行程轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號送至高速記數(shù)模塊，待其譯為BCD碼后存入內(nèi)部存儲器，CPU在每個掃描周期將BCD數(shù)據(jù)與行程設(shè)定值比較，超出設(shè)定值即停車。

3 在井下采煤系統(tǒng)應用

3.1 采煤機ACS－800變頻器的調(diào)試運行

ACS－800變頻器有著優(yōu)良的調(diào)速性能和顯著的節(jié)能效果被廣泛應用于煤礦及其他眾多行業(yè)。正確設(shè)置變頻器的基本參數(shù)是十分重要的。

①選擇語言，設(shè)置電動機啟動數(shù)據(jù)。有十五種語言可供選擇，應選(ENGLISH)英語，(FACTORY)基本應用于工廠、(NO)不恢復出廠設(shè)置、(DTC)直接轉(zhuǎn)矩控制。根據(jù)電動機銘牌選擇合適的電壓、頻率范圍、電動機轉(zhuǎn)速和電動機功率等。

②通過設(shè)置數(shù)字輸入端，實現(xiàn)外部啟動、停機和旋轉(zhuǎn)方向。加速時間就是變頻器輸出頻率由零頻升到最大頻率所需時間，一般8～10s。減速時間是從給定最大值降至零頻所需時間，一般3～5s。確保加速時不過流、減速時不過壓。加、減速時間可根據(jù)電動機功率進行計算，實際應用時根據(jù)現(xiàn)場情況適當調(diào)整，以不出現(xiàn)過電流、過電壓為原則。

③加減速模式選擇。變頻器加減速有線形、非線形和S形曲線運行模式。采煤機啟動和運行負載變化較大，且加速度要緩慢，變頻器可選擇S形曲線運行模式，以滿足不同的復雜地質(zhì)條件需要。

④設(shè)置轉(zhuǎn)矩補償。以此來提高電動機在低速啟動時轉(zhuǎn)矩提升，應采取自動補償功能，確保電動機加速順利進行。

⑤電子過流保護功能設(shè)置。這是為了保護電動機因過流而燒毀，漏電保護功能對電動機及電纜實時監(jiān)視絕緣情況。工作電流超過設(shè)定值時過流保護功能動作，絕緣值下降至設(shè)定值以下時漏電保護功能將切斷電源，實現(xiàn)保護牽引電動機的要求。

⑥模擬加載調(diào)試采煤機。接上電源后仔細觀察有無異常現(xiàn)象，然后進行初加速。在加速時限制頻率給定時要緩慢，頻率上升率不要太陡，以防止出現(xiàn)過電流保護。此時觀察電動機轉(zhuǎn)速是否由小到大過渡運行平穩(wěn)確保電動機接近滿載情況下可靠運行。

3.2 電牽引采煤機變頻器故障分析與處理

對于采煤機只能進行單向行走的單向牽引事故，除平時經(jīng)常清理按鈕表面的粉塵，并做好防銹處理以防出現(xiàn)按鈕卡住現(xiàn)象外，還要加強對插座的維護和保護，控制線在壓接時用力適度，線頭壓得過緊易出現(xiàn)斷絲，采煤機振動時易造成線頭虛接。

對于采煤機運行時能牽引，但在行走過程中經(jīng)常出現(xiàn)突然停機，停機后有時有故障顯示有時無故障顯示，復位后仍能開機的病態(tài)牽引事故，先不要急于動手，首先詢問司機關(guān)于采煤機工作運行情況和故障現(xiàn)象，觀察功能顯示和參數(shù)顯示，仔細傾聽采煤機運行聲音，分清是機械故障還是電氣故障，確定故障范圍，由點到面層層分析，然后再進行事故處理。

對于采煤機不牽引的事故，其原因可分為硬故障和軟故障。硬故障是指采煤機出現(xiàn)不牽引后信息顯示直觀，能直接從顯示窗口上獲得故障信息。軟故障是指采煤機出現(xiàn)不牽引后從顯示窗口查不出各種信息，故障點信息較模糊，難以對事故進行處理。現(xiàn)場處理是更換功率平衡板。該板是易損件，出現(xiàn)類似事故時應及時更換。平常應加強對變頻器電源輸入聯(lián)接線的維護，采取隔離和包扎等措施，使變頻器電源輸入線不與器壁和其他元件接觸，可有效防止事故發(fā)生。

3.3 交流電牽引采煤機綜合試驗臺

①交流變頻調(diào)速試驗單元:主要設(shè)備有油自冷式調(diào)壓器、三相異變電動機、直流電動機和數(shù)字式直流調(diào)速裝置、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、控制臺，實現(xiàn)交流變頻調(diào)速裝置電氣性能和牽引電機及機械性能的測試，完成變頻調(diào)速裝置保護功能的測試。能測試的項目主要有變頻器在空載狀態(tài)下的工作性能試驗、加載試驗、溫升試驗、電網(wǎng)電壓波動試驗、速度調(diào)節(jié)范圍試驗、制動與正反轉(zhuǎn)運行試驗、機械調(diào)速特性試驗。

②計算機信號數(shù)據(jù)處理單元:核心設(shè)備有工業(yè)控制用計算機(含模擬量、數(shù)字量、輸入輸出接板)、寬行彩色打印機、信號調(diào)理變送電路，主要用來采集來自交流變頻調(diào)速單元的信號和數(shù)據(jù)，按照測試項目的要求進行數(shù)據(jù)處理和顯示。

③采煤機控制、監(jiān)測系統(tǒng)試驗單元:共包括監(jiān)測信號模擬發(fā)生電路(分別模擬采煤機牽引部、截割部等處的電流、溫度、壓力等檢測信號，能在規(guī)定量程內(nèi)變化，并具備計量校準的功能，可以代替原信號送檢測中心)、采煤機操作信號模擬發(fā)生電路(模擬采煤機的各種信號，如送電、牽啟、左行、右行等，可以代替原信號控制采煤機各部的動作)、采煤機動作響應顯示電路(代替采煤機各部在控制中心輸出信號后作出的響應指示)，主要對采煤機控制監(jiān)測系統(tǒng)的功能進行測試。

4 在運輸系統(tǒng)應用

4.1 隔爆變頻調(diào)速裝置在膠帶輸送機的應用

隔爆變頻調(diào)速裝置的操作可在本機控制，也可遠程控制。此機控制是靠變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)置的觸摸屏來設(shè)定運行參數(shù)。在觸摸屏上進行運行和停止操作。遠控時，通過工作臺對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行外控操作。應用變頻調(diào)速裝置時，一般采用一拖一控制。當3臺電機同時啟動且2臺電機同軸時，在隔爆變頻調(diào)速裝置間增加主從控制功能，可任意設(shè)置其中1臺為主機、其余2臺為從機。在現(xiàn)場中設(shè)置同軸的1臺電機為主機、其余2臺電機為從機，同軸的另一臺電機設(shè)置為轉(zhuǎn)矩跟蹤，不同軸的第三臺設(shè)置為速度跟蹤。主機是調(diào)速裝置群控中的首機，其他變頻器都是從機。主機只有1臺。在運行中只對主機控制，全部從機同步自動跟隨主機動態(tài)運行，實現(xiàn)良好的主從關(guān)系目標控制運行模式。

經(jīng)過較長時間的運行檢驗證明，真正實現(xiàn)了電機軟啟動和膠帶輸送機軟啟動合二為一。通過電機慢速啟動帶動膠帶機緩慢啟動，將膠帶內(nèi)貯存的能量緩慢釋放，幾乎對膠帶不造成損害，設(shè)備啟動特性平穩(wěn)，極大降低了設(shè)備的維護檢修量，同時節(jié)能效果明顯。隔爆變頻調(diào)速裝置以其特有的軟啟動特性和較高的性價比，成為礦山井下膠帶輸送機驅(qū)動的發(fā)展方向。

4.2 變頻器軟啟動在膠帶機中的應用

使用變頻器，驅(qū)動電機直連滾筒，通過設(shè)置變頻器輸出電流頻率由0Hz到設(shè)定頻率的變化時間，就可設(shè)置膠帶機軟啟動的啟動時間。為盡量減少膠帶機啟動時對電機及膠帶機各部件的沖擊，啟動時間可設(shè)置成10s以上。變頻器啟動力矩大，尤其適合重載啟動，這對膠帶機十分有利。膠帶機運行時，由于環(huán)境惡劣，經(jīng)常發(fā)生各類緊急停車故障，一旦重載停車，由于耦合器在軟啟動時啟動速度過快，且對多電機驅(qū)動的膠帶機無法做到各電機的功率平衡，易造成電機過載停車，對滾筒和聯(lián)軸器等設(shè)備的損害十分大。改用變頻器后可通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率的大小來實現(xiàn)各電機的功率平衡，在啟動過程中通過降低電機的頻率可實現(xiàn)在小電流下的大功率輸出，最大程度降低了對電機及膠帶機的損傷。

變頻器的另一重要用途是驗帶功能。膠帶機的日常檢修工作中一個很重要的任務就是在膠帶運行時檢修膠帶的磨損情況。但是，如果在滿速情況下很難清楚地看到膠帶的破損部位。該礦北部膠帶輸送機使用的4套變頻調(diào)速裝置可以設(shè)置兩種頻率啟動。在現(xiàn)場應用中，將第一個頻率設(shè)置為40Hz(根據(jù)采區(qū)煤量多少自行調(diào)節(jié))、第二個頻率設(shè)置為10Hz，對應4.5m/s的滿速速度，能實現(xiàn)接近0.9m/s的驗帶速度。與使用耦合器作為傳動裝置相比，空載時電耗僅為50%，重載時節(jié)省30%。

4.3 變頻調(diào)速技術(shù)在電機車電動機的應用

電機車是礦井軌道運輸?shù)闹饕獱恳O(shè)備。其中，架線式牽引機車多年來一直沿用結(jié)構(gòu)復雜、故障率高和維修費用大的直流電動機，而且目前國內(nèi)絕大多數(shù)礦山牽引機車還在使用觸頭電阻調(diào)速方式，處于耗電量大與維修量大的狀態(tài)。變頻調(diào)速牽引機車采用故障率低和性能可靠的三相異步交流鼠籠式電動機，結(jié)合技術(shù)先進與節(jié)電效果顯著的變頻調(diào)速器，取代了直流電機車比較落后的驅(qū)動技術(shù)，達到當代世界先進技術(shù)水平。

由于工作環(huán)境特點所致，礦用電機車調(diào)速系統(tǒng)處于頻繁的啟動、制動和加減速等狀態(tài)，還要適應負荷上下坡和顛簸路況等情況，因此要求電動機啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強。另外，調(diào)速系統(tǒng)不但要能四象限運行，還要能再生制動到低速。這樣，當負載轉(zhuǎn)矩增大時，轉(zhuǎn)速就能迅速下降，而電動機輸出功率基本不變，從而使電動機不易因負載增大而引起過載。反之，當負載變小時，電動機轉(zhuǎn)速能自然上升，以利于提高生產(chǎn)效率。此外，為防止主輪打滑，調(diào)速系統(tǒng)還應考慮具有最大轉(zhuǎn)矩限幅的功能。由于逆變器和電動機都安裝在電機車上，所以整個調(diào)速系統(tǒng)應盡可能設(shè)計得體積小、重量輕、硬件結(jié)構(gòu)簡單和控制方便。對于直接轉(zhuǎn)矩控制而言，在高速運行階段，除電動機定子電阻，不需知道其他參數(shù)，所以直接轉(zhuǎn)矩控制對電動機參數(shù)的依賴性比矢量控制要低許多。其產(chǎn)品包括5t、8t和10t隔爆型電動機斬波調(diào)速控制裝置，目前已廣泛應用于以電池為動力源的、交流電動機牽引驅(qū)動的礦山電機車上。