淺談礦井提升機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)改造

王志軍

(山煤宏遠(yuǎn)煤業(yè)有限公司，山西晉中032600)

0 引言

礦井提升機(jī)擔(dān)負(fù)著礦井設(shè)備人員和物料的運(yùn)輸任務(wù)，在礦山生產(chǎn)中起著不可或缺的作用。提升機(jī)工作時，提升速度分為三個階段，即加速、勻速、減速階段，其速度的變換是由電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來完成的。傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)是在電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組回路通過接觸器串入電阻，在加速段逐級切除電阻，減速段再串入電阻減小轉(zhuǎn)子電流以達(dá)到減速目的。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)日趨完善，以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的變頻調(diào)速也成為交流電機(jī)調(diào)速的一種趨勢［1］。交流電機(jī)變頻調(diào)速是當(dāng)今節(jié)約電能，改善生產(chǎn)工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以及改善運(yùn)行環(huán)境的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和啟制動性能等諸多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外認(rèn)為最有前途的調(diào)速方式。筆者針對礦井提升機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能技術(shù)改造，介紹了傳統(tǒng)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的弊端，以及變頻調(diào)速的原理及選擇變頻器的原則，并分析了經(jīng)改造后的提升機(jī)的節(jié)能效果。

1 傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)

在交流變頻技術(shù)成熟之前，礦井提升機(jī)調(diào)速通常采用直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和交流異步繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)。串電阻調(diào)速系統(tǒng)采用多級調(diào)速方法，通過合理的選擇電阻的級數(shù)，可獲得較平穩(wěn)的啟動和調(diào)速性能。但串電阻不可能采用無限多的級數(shù)，因此提升機(jī)在運(yùn)行過程中的加速和減速過程是跳躍的，為有級調(diào)速。而且在調(diào)速過程中能量大多數(shù)消耗在了外串電阻的發(fā)熱上，浪費(fèi)電能，效率較低。另外，繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻后，使得電動機(jī)的機(jī)械特性變軟，導(dǎo)致低速運(yùn)行時穩(wěn)定性變差。因此，當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行過程中負(fù)載變化較大時，該種調(diào)速方法性能較差。

2 變頻調(diào)速技術(shù)

2.1 變頻調(diào)速的工作原理

根據(jù)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式和同步轉(zhuǎn)速公式:

可知:只要改變異步電動機(jī)定子供電電源的頻率f1，就可以改變同步轉(zhuǎn)速n1，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n。變頻調(diào)速即是通過改變電機(jī)定子繞組的供電電源頻率來達(dá)到調(diào)速的目的，其原理是把工頻交流(50 Hz)通過整流器變成平滑直流，然后利用半導(dǎo)體器件組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電，用于驅(qū)動異步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速［2-3］。

礦井提升機(jī)的調(diào)速過程是在基速(電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速)上向下調(diào)速，根據(jù)(1)式，須從基頻(50 Hz)向下調(diào)節(jié)頻率，以達(dá)到減速的目的。又根據(jù)電動機(jī)定子相電壓公式:

式中，N1為單相繞組匝數(shù)，kN1為繞組因數(shù)，Φm為主磁通。

當(dāng)減小頻率的同時若不改變電壓，會使電動機(jī)磁通Φm過飽和，導(dǎo)致很大的勵磁電流，嚴(yán)重時引起電動機(jī)過熱而損壞電機(jī)。因此，調(diào)速過程中降低頻率的同時應(yīng)減小電源電壓，以保證調(diào)速過程中磁通不變。

2.2 變頻器的選擇

選擇變頻器時應(yīng)以實(shí)際電動機(jī)的電流值作為變頻器選擇的依據(jù)，電機(jī)的額定功率只能作為參考。選擇時應(yīng)使變頻器的額定電流I≥Ie(Ie為電動機(jī)的額定電流)，同時應(yīng)使I≥1.1Imax(Imax為電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行的最大電流)。在滿足電流的同時還應(yīng)考慮變頻器的輸出電壓和瞬時過載能否滿足電機(jī)的要求。另外，變頻器的輸出含有豐富的高次諧波，會降低電動機(jī)的功率因數(shù)和效率。因此，用變頻器給電動機(jī)供電時，電動機(jī)的電流會增加10%，溫升會增加20%左右。所以在選擇電動機(jī)和變頻器時，應(yīng)適當(dāng)留有余量，以防止溫升過高，影響電動機(jī)的使用壽命。

3 效益分析

原有的串電阻調(diào)速方式須采用交流接觸器切換電阻完成不同速段的轉(zhuǎn)換，接觸器和外串電阻每3 ～5 個月需更換一次，維修費(fèi)用大，耽誤生產(chǎn)。提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變頻改造后，電機(jī)在不同頻率下運(yùn)行的節(jié)能效果不同，變頻器在低速運(yùn)行時節(jié)能效果顯著。根據(jù)現(xiàn)場情況，提升機(jī)的加速段及減速段約為60 ～100 m，因此，其低速段占全程的35%左右，經(jīng)計(jì)算綜合節(jié)電率在25%左右。變頻改造后原系統(tǒng)的電阻和接觸器全部棄除不用，不但節(jié)省投資，也增加了可靠性。變頻調(diào)速過程中還可使電動機(jī)運(yùn)行在回饋制動運(yùn)行狀態(tài)，再生電能可回收利用，節(jié)約更多的電能。

4 結(jié)語

提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)變頻改造后，改善了提升機(jī)運(yùn)行的可靠性，增加了電動機(jī)的調(diào)速范圍，調(diào)速平滑性好，電機(jī)效率顯著提高，節(jié)約了部分電能，應(yīng)在礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］于慶廣.高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用［J］.電力電子，2004(4).

［3］肖俊.IGBT 在電機(jī) PWM 控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］.電器自動化，2003.