變頻器在煤礦井下應(yīng)用中存在的問題及解決措施

徐長安，高廣亮，卜向峰

(1.河南理工大學(xué)高等職業(yè)學(xué)院 454000;2.河南大有能源股份有限公司 471842;3.國投煤炭鄭州能源開發(fā)有限公司 452478)

引言

近十年來隨著變頻器技術(shù)不斷發(fā)展，其散熱技術(shù)不斷改善，由于煤礦井下對防爆設(shè)備的要求，變頻器在煤礦井下得到了廣泛應(yīng)用，變頻器以它獨具的優(yōu)越性在提升系統(tǒng)和大功率皮帶運輸系統(tǒng)應(yīng)用方面更加突顯出來。

四象限變頻器在其應(yīng)用中，更顯示出它獨特的魅力。IGBT功率模塊可以實現(xiàn)能量的雙向流動，采用IGBT做整流橋，用高速度、高運算能力的DSP產(chǎn)生PWM控制脈沖。一方面可以調(diào)整輸入的功率因數(shù)，消除對電網(wǎng)的諧波污染，讓變頻器真正成為“綠色產(chǎn)品”。另一方面可以將絞車下放和皮帶下運時產(chǎn)生的能量，通過電動機和變頻器的回饋，反送到電網(wǎng)，達到徹底的節(jié)能效果。雖然變頻器在煤礦的應(yīng)用有著諸多的優(yōu)越性，但是在煤礦井下的使用中也存在一些問題，這些問題要求我們予以高度重視，采取相應(yīng)措施加以解決。

1.欠壓停機問題

在井下往往一條高壓線路接入幾個大型設(shè)備，在變頻器正常運行時，當起動其它某個大型設(shè)備時，尤其是功率大而且是直接起動的設(shè)備。當這些設(shè)備起動時，電流很大，引起整個供電線路產(chǎn)生很大的壓降，因而導(dǎo)致變頻器停機，報出欠壓故障。

相應(yīng)措施:

(1)把大型設(shè)備分別接入不同的線路上。

(2)盡量采取軟起動控制方式，避免大型設(shè)備直接起動。

(3)采用變頻器的設(shè)備要使用單獨變壓器供電，不要與其它設(shè)備共用一臺電源變壓器。

2.電磁干擾問題

2.1 其它設(shè)備對變頻器的干擾

如果變頻器周圍存在干擾源，它們將通過輻射或電源線侵入變頻器的內(nèi)部，引起控制回路誤動作，造成工作不正常或停機，嚴重時甚至損壞變頻器。變頻器也會因為干擾而出現(xiàn)保護。

相應(yīng)措施:

(1)在變頻器輸入側(cè)添加電感和電容，構(gòu)成LC濾波網(wǎng)絡(luò)。

(2)變頻器的電源線直接從變壓器側(cè)供電。

(3)在條件許可的情況下，可以采用單獨的變壓器。

(4)在采用外部開關(guān)量控制端子控制時，連接線路較長時，要采用屏蔽電纜。當控制線路與主回路電源均在地溝中埋設(shè)時，除控制線必須采用屏蔽電纜外，主電路線路必須采用鋼管屏蔽穿線，減小彼此干擾，防止變頻器的誤動作。

(5)在采用外部模擬量控制端子控制時，如果連接線路在1m以內(nèi)，采用屏蔽電纜連接，并實施變頻器側(cè)接地即可;如果線路較長，現(xiàn)場干擾嚴重的場合，建議在變頻器側(cè)加裝DC/DC隔離模塊，采用頻率指令給定模式進行控制。

(6)在采用外部通信控制端子控制時，建議采用屏蔽雙絞線，并將變頻器側(cè)的屏蔽層接地(PE)，如果干擾非常嚴重，建議將屏蔽層接控制電源地(GND)。對于RS232通信方式，注意控制線路盡量不要超過15m，如果要加長，必須隨之降低通信波特率，在100m左右時，能夠正常通信的波特率小于600bps。對于RS485通信，還必須考慮終端匹配電阻等。對于采用現(xiàn)場總線的高速控制系統(tǒng)，通信電纜必須采用專用電纜，并采用多點接地的方式，才能夠提高可靠性。

(7)變頻器周圍所有繼電器、接觸器的控制線圈上，加裝防止沖擊電壓的吸收裝置，如RC浪涌吸收器，其接線不能超過200mm;盡量縮短控制回路的配線距離，并使其與主回路分離;變頻器控制回路配線絞合節(jié)距離應(yīng)在15mm以上，與主回路保持100mm以上的間距;變頻器距離電動機很遠時(超過100m)，這時一方面可加大導(dǎo)線截面面積，保證線路壓降在2%以內(nèi)，同時應(yīng)加裝變頻器輸出電抗器，用來補償因長距離導(dǎo)線產(chǎn)生的分布電容的充電電流。變頻器接地端子應(yīng)按規(guī)定進行接地，必須在專用接地點可靠接地，不能同電焊機、動力線接地混用，在變頻器輸入端安裝無線電噪聲濾波器，減少輸入高次諧波，從而可降低從電源線到電子設(shè)備的噪聲影響。

2.2 變頻器對其它設(shè)備的干擾

變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾，而且會產(chǎn)生高次諧波，這種高次諧波會通過供電回路進入整個供電網(wǎng)絡(luò)，從而影響其它設(shè)備的正常工作。

在提升機、皮帶運輸?shù)目刂葡到y(tǒng)中，多采用微機或者PLC進行控制，在系統(tǒng)設(shè)計或者改造過程中，一定要注意變頻器對微機控制板或PLC的干擾問題。在采用變頻器后，產(chǎn)生的傳導(dǎo)和輻射干擾，往往導(dǎo)致控制系統(tǒng)工作異常。

相應(yīng)措施。

(1)采用屏蔽電纜。動力線和控制線都要用屏蔽電纜連接，而且互相之間最好不要平行，如果必須平行時，兩個電纜之間距離不得小于200mm，小于200mm時要加接地隔離擋板。

(2)良好的接地。電機等強電控制系統(tǒng)的接地線必須通過接地匯流排可靠接地，微機控制板的屏蔽，要單獨接地。對于某些干擾嚴重的場合，建議將傳感器、I/O接口屏蔽層與控制板的控制地相連。

(3)給微機控制板或PLC輸入電源加裝EMI濾波器、共模電感、高頻磁環(huán)等。可以有效抑制傳導(dǎo)干擾。

(4)給變頻器輸入加裝EMI濾波器，可以有效抑制變頻器對電網(wǎng)的傳導(dǎo)干擾，加裝輸入交流和直流電抗器L1、L2，可以提高功率因數(shù)，減小諧波污染，綜合效果好。在某些電機與變頻器之間距離超過100m的場合，需要在變頻器側(cè)添加交流輸出電抗器L3，解決因為輸出導(dǎo)線對地分布參數(shù)造成的漏電流保護和減少對外部的輻射干擾。一個行之有效的方法就是采用鋼管穿線或者屏蔽電纜的方法，并將鋼管外殼或者電纜屏蔽層與大地可靠連接。請注意，在不添加交流輸出電抗器L3時，如果采用鋼管穿線或者屏蔽電纜的方法，增大了輸出對地的分布電容，容易出現(xiàn)過流。

(5)對模擬傳感器檢測輸入和模擬控制信號進行電氣屏蔽和隔離。在變頻器組成的控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，建議盡量不要采用模擬控制，特別是控制距離大于1m，跨控制箱安裝的情況下。因為變頻器一般都有多段速設(shè)定、開關(guān)頻率量輸入輸出，可以滿足要求。如果非要用模擬量控制時，建議一定采用屏蔽電纜，并在傳感器側(cè)或變頻器側(cè)端一點接地。如果干擾仍舊嚴重，需要實現(xiàn)DC/DC隔離措施。可以采用標準的DC/DC模塊，或者采用光耦隔離，再采用頻率設(shè)定輸入的方法。

(6)絞車移動信號系統(tǒng)，要采用高頻通訊。避開變頻器的干擾頻率。

3.電抗器發(fā)熱問題

輸入電抗器的作用是在電動狀態(tài)下起儲能作用，形成正弦電流波形。在回饋狀態(tài)下，起濾波作用，濾掉電流波形的高頻成分。

輸出電抗器的作用是補償變頻器與電動機連接的長導(dǎo)線充電電流，從而使電動機在引線較長時能正常工作。輸出電抗器并能減小在電機端子的dV/dt值，以及抑制變頻器輸出的諧波，起到減小變頻器噪聲的作用。輸出電抗器可以有效抑試驗前后電機運行參數(shù)對比見表2。

表2 小12－20井試驗前后電機運行參數(shù)對比表

小12－20在措施后，平衡率由原來的76.6%上升到96.6%，達到了生產(chǎn)指標要求。單井日耗電由原來的141度下降到118度，日節(jié)電23度。從實施效果看，安裝游碼式平衡調(diào)整裝置可以有效的改善抽油機不平衡的狀態(tài)，降低電機輸入功率，具有良好的節(jié)能效果。

4.結(jié)論及建議

(1)游碼式平衡調(diào)整裝置使用方便，只需要操作控制箱按鈕即可調(diào)節(jié)平衡配重的位置，使抽油機處于平衡狀態(tài)，避免了過去靠人力調(diào)整平衡塊位置來調(diào)整平衡的缺陷，消除了安全隱患。

(2)針對游梁式抽油機自身無法在進行平衡調(diào)整的油井，采用游碼式平衡調(diào)整裝置能夠有效解決抽油機油井平衡問題，節(jié)省了電能，避免了能源的浪費。

(3)下步計劃在黃沙坨油田小13－13、小11－10、小17－31、小38－28和小12－6井繼續(xù)安裝使用游碼式平衡調(diào)整裝置。

［1］ 姜杰，馬強.抽油機井系統(tǒng)效率評價與管理標準的研究［J］.承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報，2009，11(1)

［2］ 馬強.塔架式長沖程抽油機原理及應(yīng)用［J］.石油礦場機械，2008，37(1)