變頻調速技術在煤礦提升機中的應用

吳仲強，星躍明，張壽安

山東裕隆礦業集團有限公司唐陽煤礦，山東濟寧 272508

0 引言

提升機是煤礦企業井下應用最廣泛的設備之一，在整個提升運輸過程中發揮著重要的作用。同時它也是煤礦耗電量較大的設備之一，而應用變頻技術于煤礦提升機中，不僅能減少耗電量，節約電能，而且操作方便，運行平穩能滿足當下礦井運輸的安全性、可靠性要求，并降低了煤礦企業的成本，因此說變頻技術應用于礦井提升機有著重要的現實意義。

1 提升機的分類

1.1 按用途分

1）主井提升機。主井提升機的任務是專門提升井下生產的煤炭。年產30萬噸以上的礦井，主井提升容器多采用箕斗；年產30萬噸以下的礦井，一般采用罐籠或串車；2）副井提升機。副井提升機的任務是提升矸石、廢料、下方材料，升降人員和設備等。副井提升容器采用普通罐籠和串車。

1.2 按提升機類型分

1）單繩纏繞式提升機。單繩纏繞式提升機是目前大部分為等直徑圓柱型滾筒，在個別的老礦井，還有使用變直徑滾筒提升機；2）多繩摩擦式提升機。多繩摩擦式提升機可分為塔式和落地式。

1.3 按拖動方式分

按提升機電力拖動方式分為交流拖動提升機和直流拖動提升機。

1.4 按井筒的傾角分

提升機按井筒傾角分為立井提升機和斜井提升機。立井提升時，提升容器采用箕斗或罐籠等。斜井提升時，提升容器一般采用礦車（串車）或斜井箕斗。串車提升適用于井筒傾角不大于25°；斜井箕斗提升適用于井筒傾角在25°～35°范圍內。近年來大型斜井提升多采用膠帶輸送機。目前，從國內、外礦井提升機的發展來看，都在采用最新的技術，最新的工藝，最新的材質，使提升設備向大型化、高效率、體積小，重量輕，能力大，安全可靠，運行準確和高度集中化、自動化方向發展。

2 變頻調速技術

變頻調速技術就是完成變頻調速系統調速傳動任務的技術。它的主要內容包括了變頻器的結構和工作原理、所用的功率器件、電動機運行的特性、調速系統所驅動的各類工作機械（即負載的特性和要求）。為了達到傳動的轉速轉矩要求、保證靜、動態性能穩定，還要應用各種控制技術。此外，消除變頻器對外干擾和變頻器實際應用的經驗也是變頻調速技術研究的范疇。總之，變頻調速技術是電力電子技術、電氣傳動自動化、控制理論、計算機等多門學科的綜合，也是一門重要的學科分支。因變頻調速具有優點全面、適用面廣等特點，所以說變頻調速技術將是稱為調速領域中的主要技術，并有統一調速領域之勢。

3 變頻調速的發展過程

3.1 變頻器采用的電力電子器件

電力電子器件是決定變頻器性能的關鍵，早期是晶閘管，由于它是半控器件，需要換相回路，后來被全控器件所取代。早期是晶閘管（SCR），被今天的全控器件所取代。今天的全控型器件，不僅可以自行開關，而且還可以提高功率；并能完善和提高變頻器的各種功能。

3.2 線路結構

整個變頻裝置是由元器件和線路連接而成的，1990年以前，線路基本上是由模擬電路分立元器件組成的，只有少量數字電路和集成塊。以后由大規模集成的數字電路逐漸增多，20世紀末就全面數字化；整流器、逆變器、SPWM波形形成、矢量控制等，都集成為一塊，甚至集成為一體，因此裝置體積越來越小，可靠性大大提高。

3.3 計算機的使用

20世紀90年代以后，計算機進入了變頻器的結構和運行領域，提供多種功能：1）取代一部分模塊的功能，如SPWM波形的生成，矢量控制的實時計算等；2）實現各種保護并且智能化，如自監控、自診斷；3）進行運行控制，如開機停機、加減速、正反轉、制動等。總之，計算機配合模塊及其他電氣設備，進行協調、控制、通信、執行變頻調速系統各項功能，成為系統的神經樞紐，目前正向網絡化發展。

3.4 變頻器主電路拓撲結構

應用最廣的是交-直-交變頻器的主電路拓撲結構是逆變器為六拍三相橋，一直保持了多年，20世紀90年代以后開發成功多電平電路如功率單元串聯電路，改進了性能，擴大了適用面，如制作高壓變頻器及特大功率變頻器。整流器原來是單一的半控和不控整流，90年代后發展為雙SPWM和SVPWM，不僅便于作四象限運行，還能改善網側的波形和功率因數。

目前國外很多公司生產礦井提升機用的變頻器，都采用了數字控制。如德國Ensdorf礦井提升機為雙交-交變頻器供電系統，由高速可編程序控制器執行數字控制和歐洲ABB公司技術，當時都是十分先進的技術，今天也被IGBT變頻器供電取代。

4 變頻調速技術在提升機中的應用

變頻調速技術應用于礦井提升機中能應付井下不同的電網。礦井提升機利用全新雙CPU冗余控制實現平臺控制，這樣就能使控制性能有大幅度提高，從而來實現恒轉矩的提升功能，并不因電網波動而影響負載的提升。變頻調速技術應用于礦井提升機中能加大提升機的負載能力，使啟動力矩增大，從而實現了電機的軟啟動。

4.1 直流制動作用

當礦井很深，慣性滑行的減速度太小，使減速階段的時間太長，降低生產率時，需要采用直流制動方式減速。提升機中停止工作時，應用變頻調速技術能可靠地閘住提升機，正常停車。在減速階段下放重物時，變頻器能平滑地從高速降到低速，參與提升機的控制，利用機械抱閘作用使重物停止在中間位置。當發生緊急事故時，能迅速而合乎要求低閘住提升機，使重物不發生下滑，避免了“溜勾”現象。

4.2 S形速遞曲線

礦井提升機過程必須要求平穩、安全、可靠，在副井提人時還應保持礦井上下人員的舒適感。梯形速度圖是我國提升機運行中廣泛采用的一種速度圖。變頻調速技術應用于礦井提升機中，就能使提升機連續、平滑的運行，就能形成S型速度給定曲線。并且通過修改有關提升控制參數，無論是加速啟動段，還是減速制動段，都能夠實現較為復雜的控制措施。采用變頻調速技術，不僅使提升機控制系統可靠的工作，而且基本不用維護。

4.3 節約資源

由于變頻器具有平滑調速、軟啟動、節能效果顯著等優點，變頻器應用于礦井提升機中發揮了重要的作用：1）輸出功率連續調節，實現了動機無級調速；2）提升機動力制動采用硅或可控硅整流電源裝置。采用該裝置的動力制動與采用機械或電動機-發電機組制動的方式相比，前者具有既能節電，又能使提升機制動準確可靠、跟隨性能好的優點；3）提升機采用低頻發電機組實現箕斗提升自動化，縮短了提升周期，提高了提升能力，達到節約用電的目的；4）穩壓性能好。提升機在額定功率下運行，變頻器保證了電動機在額定電壓下運行，避免了因電壓高（低）對電機所造成的危害。

5 結論

實踐證明，礦井提升機應用變頻調速技術徹底避免了繞線式異步電動機起動、制動速度無法準確控制的特點，可靠性大大提高。隨著電子元器件性能不斷飛速發展，變頻調速技術畢竟更廣泛應用于礦井提升機上，為煤礦企業的發展節能大量人力、物力，為礦井創造客觀的經濟效益。變頻調速技術作為礦井發展的基礎技術和節能技術，已經廣泛到應用于煤礦生產過程中，并且隨著科學技術的迅速發展應用范圍將更加廣泛，發展前景將更加光明。

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