變頻器在煤礦機電設備中的研究應用

楊 武

陜西長武亭南煤業有限責任公司

變頻器在煤礦機電設備中的研究應用

楊 武

陜西長武亭南煤業有限責任公司

變頻技術是集合自動化控制、電力電子、通信等技術于一體的高科技技術，具有比較理想的調速性能和顯著的節能作用，主要用于交流電動機轉速的調節。本文簡述了變頻器調速技術的原理，介紹和分析了變頻器在煤礦機電設備中的應用，討論了變頻技術的發展方向。

變頻；調速；煤礦；機電

隨著我國經濟的不斷發展，能源問題日益嚴重，煤炭在我國一次能源消費結構中煤炭資源占到60%以上，而煤礦用的大型機電設備裝機容量不斷擴大，資源消耗逐年增加，而且經常處于輕載運行狀態,效率非常低，電源浪費非常嚴重，尤其是在我國電力資源仍然相對比較短缺的情況下，煤炭工業節能增效迫在眉睫；通過變頻技術采用變頻器調速，可以避免對電網電壓產生劇烈波動，既可減小設備啟動電流，又可增大啟動轉矩，還可實現軟停機，有效地降低設備電耗，提高設備使用壽命，給企業帶來可觀的經濟效益。

1 變頻器簡述

1.1 變頻器變速原理

電動機轉速公式為:

n=60f/p（1-s）

式中:n—電動機的轉速，r/min；f—電源的頻率，Hz；p—電動機的磁極對數；s—電動機的轉差率。

由于電動機的磁極對數通常是固定不變的，即使改變磁極對數，電動機轉速也是有極差的，也不可能達到無極調速；因此，電動機要想實現無極調速主要取決于電源頻率；通過控制半導體原件的通斷，將頻率和電壓固定不變的交流電轉換成為頻率和電壓都可以根據實際情況自由調節的交流電，這就是變頻器實現無極變速的工作原理。

1.2 變頻器控制方式

變頻器通過什么工作方式負載稱之為變頻器的控制方式。常見的控制方式有電壓頻率比（V/F）控制、脈沖寬度調制、矢量控制和直接轉矩控制等。

電壓頻率比控制是異步電動機變頻調速的最基本控制方式，它是通過改變電壓和頻率之比來調整電動機的轉矩，以滿足不同負載的要求；矢量控制變頻調速是通過控制東東集的勵磁電流和轉矩電流，將交流電動機等效為直流電動機，得到和直流電動機相類似的控制性能。脈沖寬度調制控制是指按照脈沖波規律調制輸出電壓中各脈沖寬度，使其平均值為該脈沖波形，依據電動機運動電流對該脈沖波調幅、調相，最終使電動機按照負載要求穩定運行。

直接轉矩控制是采用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁轉矩進行直接控制，滿足負載要求。

1.3 變頻器的發展方向

變頻器以其很好的調速、節能性能正不斷擴大應用領域，通用變頻器的發展方向主要是多種控制方式兼容、開環/閉環都可用、適應性強、適用面廣；通過功率母線技術、單元串聯多電平、“無電網污染”的高壓變頻器、微機和人工智能控制等技術，提高了功率因數、減少了電網公害、改善了對環境的影響；可編程控制器（PLC）是一種非常普遍應用范圍非常廣泛的工業控制裝置，通過PLC控制變頻器的頻率可以起到適應傳動系統中對速度控制靈活性、準確性、可靠性等不同要求，這也是變頻器研究的一個主要方向。

2 變頻器在煤礦機電設備中的應用研究

2.1 變頻器在煤礦帶式輸送機中的應用

煤礦帶式輸送機在啟動加速、停車減速及負載變化或者其他情況導致張力變化時不僅會對電網電壓造成沖擊，而且動態張力波在膠帶中傳播和疊加導致輸送機振動劇烈、機械損害嚴重，甚至會引起膠帶斷裂，縮短設備使用壽命。

運用變頻器后電動機實現無級調速后，輸送機加減速過程非常平滑，機械振動的強度大大降低，減少了設備維護量，延長了設備使用壽命；電流沖擊小，通過移相變壓器，實現了多脈沖整流，減小了對電網的沖擊，且無功電流小，提高了電網的利用率；變頻調速范圍寬，可恒轉矩運行，實現了重載是平穩啟動，也可根據負載情況，自動調整輸出頻率和輸出力矩，進一步降低輸送機的能耗。

2.2 變頻器在煤礦提升機系統中的應用

煤礦提升機系統在機械動力啟動電機或部分連接到軸和齒輪時，將產生劇烈的振動，加劇機械部件的磨損，減少提升設備和電機的使用壽命；當電機直接啟動時，瞬時電流為額定電流的好幾倍，不僅會加大電機繞組電應力，產生的大量熱量，減少電機的壽命，而且瞬時的浪涌電流、電壓波動巨大，引起電網的峰谷差較大，且可能導致同一電網上其他電壓敏感設備產生故障跳閘或異常運行。

利用變頻調速技術，模擬低頻發電機的運行方式，在保持輸出頻率不變的情況下，根據控制要求和實際運行速度，控制變頻器輸出電壓的信號變化，自主調控提升機的升降狀態，不僅可實現平穩可靠的制動，大大減少了機械部件的振動沖擊和磨損，而且可使提升機實現軟啟動，科學合理的改變電機的運行速度，以適應不同的負荷要求，可平滑加速和減速，保證提升機安全平穩的運行。

2.3 變頻器在煤礦通風機系統中的應用

通風機是煤礦安全生產的主要大型設備，它不僅要確保巷道通風順暢，有充足的新鮮風量供井下人員呼吸，而且可以將煤層中滲出的各種有害氣體從井下排除，使其濃度降低到無害于人體的程度，因此必須每天24小時不間斷運轉。但是隨著礦井工作面的開采和掘進巷道的不斷延伸，要求風量不斷加大，風機功率也將加大，而且隨著四季的交替，冷熱的變化，礦井所需的風量也需要不斷調節，所以一般煤礦通風機及電動機的功率設計都遠大于正常生產所需要的運行功率，這就造成了電源的極大浪費。

高壓變頻器應用在煤礦主通風機系統后，調速平滑方便，實現了軟啟動和停止，不僅降低了對電網的沖擊，避免了因主扇風機直接啟動，瞬間電流過大，可能燒壞電動機的現象；而且風機運行是的電氣沖擊和機械強度也大大降低了，延長了風機的使用壽命；變頻器根據井下的實際需求的風量，調節電機轉速，低速輸出轉矩加大，實現了高轉矩寬調速范圍驅動，避免了大馬拉小車的情況發生，提高了系統運行效率，達到了節能效果，給企業帶來了巨大經濟效益。

3 總結

煤礦機電設備采用變頻調速后，客服了設備重載多機啟動電流大、各電機負載不均勻、容易引起電網電壓的劇烈波動等現象，提高了電動機轉速的控制精度和運行效率，減少了設備的維修工作量，增強了設備的安全性與可靠性，保證了企業的安全生產，節省了維修費用和大量的電能，增加了企業的經濟效益。交流變頻調速技術成為現代電力傳動技術重要發展方向，越來越廣泛的應用于工業生產和日常生活的許多領域。

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