無(wú)功補(bǔ)償變頻一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)研究

任丕清，周建軍，馬庾卿

(1.山西焦煤集團(tuán)，山西 太原 030024； 2.山西焦煤集團(tuán)，山西 太原 030024；3.西山煤電集團(tuán) 杜兒坪礦，山西 太原 030022)

?

·試驗(yàn)研究·

無(wú)功補(bǔ)償變頻一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)研究

任丕清1，周建軍2，馬庾卿3

(1.山西焦煤集團(tuán)，山西 太原 030024； 2.山西焦煤集團(tuán)，山西 太原 030024；3.西山煤電集團(tuán) 杜兒坪礦，山西 太原 030022)

刮板輸送機(jī)是影響綜采工作面產(chǎn)能的關(guān)鍵設(shè)備，利用無(wú)功補(bǔ)償變頻一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)，在節(jié)能的基礎(chǔ)上還可以提高輸送機(jī)的可靠性。本文將現(xiàn)階段綜采工作面使用的電機(jī)與一體化電機(jī)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)一體化電機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯。一體化電機(jī)兼具無(wú)功補(bǔ)償與變頻驅(qū)動(dòng)的功能，同時(shí)在起動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定可靠，具有很好的應(yīng)用前景。

刮板輸送機(jī)；無(wú)功補(bǔ)償；變頻驅(qū)動(dòng)

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采自動(dòng)化的快速發(fā)展，煤礦機(jī)電設(shè)備所占的比重越來(lái)越大，機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況與能耗，直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。刮板輸送機(jī)承擔(dān)著煤炭運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)，是決定綜采工作面產(chǎn)能的關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)又是綜采工作面耗能較多的設(shè)備。

刮板輸送機(jī)的動(dòng)力源是兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)階段刮板輸送機(jī)常采用雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由組合開(kāi)關(guān)控制電機(jī)先低速起動(dòng)，起動(dòng)功率較低，待運(yùn)轉(zhuǎn)正常后再轉(zhuǎn)為高速運(yùn)行。這種驅(qū)動(dòng)方式起動(dòng)沖擊較大，容易造成設(shè)備損壞，運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)功率因數(shù)不高，有大量線(xiàn)損造成了電能的浪費(fèi)，同時(shí)由于無(wú)功功率由發(fā)電機(jī)通過(guò)輸變電設(shè)備提供，占用了輸變電設(shè)備的容量，增加了設(shè)備損耗，降低了設(shè)備使用壽命，經(jīng)濟(jì)損失較大。

有些煤礦采用變頻器調(diào)速裝置控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，受到散熱與安裝環(huán)境的影響，變頻器一般與其他設(shè)備一起安裝在系統(tǒng)車(chē)上，變頻器運(yùn)行過(guò)程中存在高次諧波較多的問(wèn)題，高次諧波對(duì)輸送線(xiàn)路的壽命和其他設(shè)備的正常運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生很大影響；而且變頻器距離電機(jī)較遠(yuǎn)，在信號(hào)傳輸過(guò)程中會(huì)受到對(duì)地電容的影響，對(duì)變頻器的控制精度以及其它電子器件都會(huì)有影響。因此，將變頻器調(diào)速裝置應(yīng)用在刮板輸送機(jī)上的方案難以推廣。

無(wú)功補(bǔ)償變頻一體化電機(jī)彌補(bǔ)上述兩種電機(jī)起動(dòng)及運(yùn)行方式的不足，將無(wú)功補(bǔ)償裝置與變頻器集成于電機(jī)接線(xiàn)腔內(nèi)部，這種電機(jī)可以根據(jù)運(yùn)輸機(jī)裝煤量的不同調(diào)整轉(zhuǎn)速與扭矩，保證刮板運(yùn)輸機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械上避免了運(yùn)輸機(jī)壓死的情況并降低了斷鏈?zhǔn)鹿拾l(fā)生率，電氣上避免了對(duì)其他設(shè)備的干擾并減少了電機(jī)繞組燒毀事故，變頻調(diào)速和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)降低了電機(jī)能耗，可以大大提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 意 義

無(wú)功補(bǔ)償變頻一體化電機(jī)主要可以解決現(xiàn)階段綜采工作面刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的兩個(gè)問(wèn)題：1) 電機(jī)的功率因數(shù)不高造成的電能浪費(fèi)與設(shè)備老化。2) 刮板輸送機(jī)電機(jī)需要變頻器合理控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭矩，但是又沒(méi)有合適的位置放置變頻器。現(xiàn)將普通電機(jī)功率因數(shù)不高及使用變頻器的必要性和局限性的分析如下：

1.1 功率因數(shù)較低帶來(lái)的問(wèn)題及解決方法

電力網(wǎng)路中的無(wú)功電流造成功率因數(shù)下降，產(chǎn)生無(wú)功損耗。無(wú)功電流返還給電力系統(tǒng)會(huì)有以下幾個(gè)不利因素：降低發(fā)電機(jī)有功功率的輸出；降低輸、變電設(shè)備的供電能力，造成線(xiàn)路電壓損失增大和電能損耗的增加，使供電設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮等。據(jù)測(cè)算，電網(wǎng)中的無(wú)功功率一般由兩部分組成：1) 電力輸配電網(wǎng)部分，約占無(wú)功總消耗的65%，包括配電線(xiàn)路中的升降變壓器的電抗造成的無(wú)功功率等。2) 負(fù)荷設(shè)備方面，約占無(wú)功總消耗的35%，包括大量的低壓配電變壓器及交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等。雖然負(fù)荷設(shè)備的無(wú)功消耗只占無(wú)功總消耗的35%，但是負(fù)荷設(shè)備處在供電線(xiàn)路的末端，影響著整個(gè)供電網(wǎng)路，造成的線(xiàn)損不少于輸配電網(wǎng)部分產(chǎn)生的線(xiàn)損。因此提高電機(jī)的功率因數(shù)，對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高具有重要意義。

電機(jī)功率因數(shù)的提高要利用無(wú)功補(bǔ)償原理。無(wú)功補(bǔ)償是把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)在同一電路，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換。這樣，感性負(fù)荷所需要的無(wú)功功率可由容性負(fù)荷輸出的無(wú)功功率補(bǔ)償。異步電動(dòng)機(jī)作為一種感性元件，要從電網(wǎng)中吸收的不僅是有功還必須有無(wú)功，由于無(wú)功的存在,電網(wǎng)需要供給電動(dòng)機(jī)更多的電能才能滿(mǎn)足電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。若將電容器直接并聯(lián)在電動(dòng)機(jī)接觸器下面或電動(dòng)機(jī)接線(xiàn)端子上(見(jiàn)圖1),電動(dòng)機(jī)所需要的無(wú)功電流的大部分仍由并聯(lián)電容器供給,將會(huì)減少電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)中索取的無(wú)功功率，這樣在電網(wǎng)提供同等數(shù)量有功功率的前提下，減少了所需提供的無(wú)功功率(見(jiàn)圖2)，因?yàn)楣β室驍?shù)的提高降低了總功率的消耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

圖1 無(wú)功補(bǔ)償接線(xiàn)圖

圖2 異步電動(dòng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償示意圖

1.2 變頻器的必要性與局限性

電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，電流會(huì)比額定高5～6倍，電機(jī)硬起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對(duì)擋板和閥門(mén)的損害極大，降低了設(shè)備、管路的使用壽命。使用變頻調(diào)速裝置后，利用變頻器的軟起動(dòng)功能將使起動(dòng)電流從零開(kāi)始，最大值也不超過(guò)額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電設(shè)備容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。

變頻器由整流單元、濾波單元、逆變單元構(gòu)成，具體電路圖見(jiàn)圖3，普通交流電經(jīng)過(guò)整流與濾波后，在逆變單元中根據(jù)晶閘管開(kāi)關(guān)頻率的不同，形成不同頻率的電流供給電機(jī)，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

圖3 變頻器原理圖

變頻器調(diào)速性能好，但是受到器件體積和散熱問(wèn)題的制約，采煤工作面一般將變頻器放置在設(shè)備車(chē)上，與組合開(kāi)關(guān)放在一起。變頻器由于內(nèi)置整流單元和逆變單元，會(huì)產(chǎn)生高次諧波和射頻，對(duì)組合開(kāi)關(guān)內(nèi)的其它設(shè)備產(chǎn)生電磁波干擾，影響設(shè)備正常運(yùn)行。此外，變頻器和電機(jī)在距離上也有一定限制，因?yàn)樯漕l來(lái)自變頻器的輸入和輸出電纜，電纜相當(dāng)于天線(xiàn)。變頻器與電機(jī)的距離應(yīng)當(dāng)是越近越好，可以減小輸入輸出電纜的對(duì)地電容，還可以減少射頻輻射的干擾。因此，變頻器驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)電機(jī)的運(yùn)行方式難以推廣，制約了煤礦機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化與智能化的發(fā)展。

鑒于普通電機(jī)與變頻器都存在著影響經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率的問(wèn)題，因此提出將一體化電機(jī)應(yīng)用于刮板輸送機(jī)上，徹底解決目前存在的功率因數(shù)偏低和變頻干擾等問(wèn)題。

2 一體化電機(jī)原理

無(wú)功補(bǔ)償變頻一體化電機(jī)是在變頻電機(jī)基礎(chǔ)上增加了無(wú)功補(bǔ)償?shù)牟糠郑瑫r(shí)將兩者集成起來(lái)，既可以更好地驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，又能節(jié)省電機(jī)運(yùn)行時(shí)的能耗，降低線(xiàn)路損耗及設(shè)備故障率。

無(wú)功補(bǔ)償變頻一體化電機(jī)與普通三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)相同，但是擴(kuò)大了接線(xiàn)腔的體積，將無(wú)功補(bǔ)償器與變頻器安裝在接線(xiàn)腔中，通過(guò)控制器的閉環(huán)控制，共同驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。一體化電機(jī)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)接線(xiàn)腔的設(shè)計(jì)進(jìn)行了更改，結(jié)構(gòu)與普通電機(jī)相同，機(jī)械安裝孔和外露軸尺寸等都不改變，因此不會(huì)影響設(shè)備的安裝方式，可以與常用的刮板輸送機(jī)減速器進(jìn)行配套。電機(jī)外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.

電機(jī)的控制系統(tǒng)綜合利用了無(wú)功補(bǔ)償與變頻器變頻原理，將無(wú)功補(bǔ)償器與變頻器集成在接線(xiàn)腔中(線(xiàn)路原理圖見(jiàn)圖5)，變頻器與電機(jī)的距離大大縮短，避免了因線(xiàn)路過(guò)長(zhǎng)造成的信號(hào)失真，同時(shí)不會(huì)對(duì)其它電子設(shè)備產(chǎn)生干擾；無(wú)功補(bǔ)償器的存在，提高了電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的功率因數(shù)，同時(shí)削弱了變頻器諧波對(duì)設(shè)備及線(xiàn)路的影響。一體化電機(jī)擁有優(yōu)異的起、制動(dòng)和調(diào)速性能，而且功率因數(shù)高、干擾低、節(jié)能效果好，是驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)較好的方式之一。

圖5 無(wú)功補(bǔ)償一體化電機(jī)線(xiàn)路原理圖

3 刮板輸送機(jī)應(yīng)用可行性

無(wú)功補(bǔ)償變頻一體化電機(jī)是在普通三相異步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的，接線(xiàn)腔體積稍有增加但是不影響其他設(shè)備的安裝與運(yùn)行，具有安裝在刮板輸送機(jī)上的先決條件。理論上分析比較一體化電機(jī)與普通三相電機(jī)的性能，可以得到一體化電機(jī)的優(yōu)勢(shì)如下：

1) 該電機(jī)為重型條件設(shè)計(jì)。采煤工作面的生產(chǎn)能力與輸送機(jī)的運(yùn)輸能力相關(guān)，現(xiàn)階段大型綜采工作面一般要求刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力要達(dá)到1 500～3 500 t/h. 有些工作面因?yàn)殡姍C(jī)高速運(yùn)行時(shí)扭矩過(guò)低限制了運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸量，從而導(dǎo)致采煤機(jī)截割速度降低，無(wú)法完全發(fā)揮大型采煤機(jī)的優(yōu)勢(shì)；有時(shí)會(huì)出現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)滿(mǎn)裝載量停機(jī)的問(wèn)題。對(duì)于一般電機(jī)來(lái)說(shuō)，存在無(wú)法再起動(dòng)的問(wèn)題；而一體化電機(jī)專(zhuān)為重型條件設(shè)計(jì)，擁有重載起動(dòng)的能力，可以在起動(dòng)時(shí)輸出2倍以上的扭矩使刮板輸送機(jī)順利運(yùn)行。

2) 通過(guò)軟件調(diào)節(jié)速度和轉(zhuǎn)矩。速度調(diào)節(jié)模式下，以電機(jī)速度的實(shí)際值進(jìn)行閉環(huán)控制，利用速度調(diào)節(jié)器引導(dǎo)電流調(diào)節(jié)器，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終跟蹤電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)的輸出力矩為保持速度而不斷調(diào)整。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)模式下，變頻器以控制轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)，根據(jù)外部負(fù)載情況計(jì)算所需電流量，在滿(mǎn)足速度要求的前提下，輸出相應(yīng)的電流。速度調(diào)節(jié)模式和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)模式相互配合，既滿(mǎn)足負(fù)載的要求，又能達(dá)到節(jié)能的目的。

3) 降低了設(shè)備的機(jī)械應(yīng)力。一體化電機(jī)起動(dòng)時(shí)，會(huì)先在設(shè)定的起動(dòng)頻率下運(yùn)行一段時(shí)間，使拖動(dòng)系統(tǒng)較容易起動(dòng)，之后再加速運(yùn)行到穩(wěn)定頻率，這樣的起動(dòng)方式可以減緩齒輪間的碰撞、減少對(duì)刮板鏈條的拉伸，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程比較平滑，大大提高了設(shè)備的使用壽命。

4) 在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)之間主動(dòng)的互載平衡。刮板運(yùn)輸機(jī)都采用機(jī)頭機(jī)尾雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而機(jī)頭機(jī)尾在結(jié)構(gòu)上存在一定的差異，在某些運(yùn)行狀況下，會(huì)出現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)功率嚴(yán)重不平衡的狀況，影響了運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行的可靠性。而一體化電機(jī)的控制器可以根據(jù)電機(jī)負(fù)載的不同，起動(dòng)時(shí)調(diào)整起動(dòng)時(shí)差，運(yùn)行時(shí)合理分配轉(zhuǎn)矩，使得兩臺(tái)電機(jī)功率達(dá)到平衡，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

5) 起動(dòng)時(shí)可得到最合適的功率，最小的電壓降。普通的大功率刮板輸送機(jī)存在一個(gè)問(wèn)題，起動(dòng)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)頻繁停機(jī)的故障，主要原因是其起動(dòng)電流過(guò)大，線(xiàn)路中消耗的能量過(guò)多，導(dǎo)致線(xiàn)路壓降過(guò)大，無(wú)法起動(dòng)輸送機(jī)。但是使用一體化電機(jī)的刮板輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)可以調(diào)整合適的功率，減小壓降，避免了頻繁停機(jī)的故障。

6) 更改轉(zhuǎn)動(dòng)方向方便。刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到需要停機(jī)倒轉(zhuǎn)的狀況，普通電機(jī)遇到這種情況時(shí)需要有人在組合開(kāi)關(guān)上分別將機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)的控制手把轉(zhuǎn)向，然后再重新起動(dòng)電機(jī)，遇到操作不熟練的工人或操作錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)給系統(tǒng)造成無(wú)法挽回的損害。無(wú)功補(bǔ)償變頻一體化電機(jī)的控制器可以在內(nèi)部改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，只需要在起動(dòng)按鈕處選擇反轉(zhuǎn)即可，既節(jié)省了工作時(shí)間，又保證了系統(tǒng)的安全性。

7) 高生產(chǎn)效率，低運(yùn)行成本。電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間可控制在4 s以?xún)?nèi)，電機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間保持1 500 r/min的轉(zhuǎn)速，在高負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中還允許較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載，有利于發(fā)揮采煤工作面所有的產(chǎn)能。同時(shí)電機(jī)的壽命可以達(dá)到15年，一般情況下工作18 000 h以上需要大修，而且大修費(fèi)用僅為新電機(jī)費(fèi)用的15%(一般電機(jī)需要新電機(jī)的50%).

通過(guò)以上比較分析，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償一體化電機(jī)的控制系統(tǒng)是根據(jù)運(yùn)輸機(jī)裝載量主動(dòng)控制電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，使得運(yùn)輸機(jī)擁有更好的起動(dòng)與運(yùn)行特性，在節(jié)能的同時(shí)提高設(shè)備的生產(chǎn)率，經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性都比較好。因此，使用一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)可以擁有很好的效果。

4 配套方式

1 000 kW的一體化電機(jī)的配套方式一般由變電站將10 kV電供給兩臺(tái)5 MVA的變壓器，由變壓器轉(zhuǎn)換為1 140 V的低壓送入控制站，線(xiàn)路最終由控制站分別接入一體化電機(jī)。控制站對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行供電進(jìn)行著整體控制，其中包括起動(dòng)控制功能和集中保護(hù)控制功能。控制站內(nèi)部包含多個(gè)真空接觸器，另外還有漏電保護(hù)裝置、溫度保護(hù)裝置、過(guò)流過(guò)載保護(hù)裝置等，系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況會(huì)在控制站的顯示屏上進(jìn)行顯示，操作人員通過(guò)顯示屏可以及時(shí)了解工作面的運(yùn)行情況并遠(yuǎn)程調(diào)整各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。

通過(guò)圖5可以看到，一體化電機(jī)僅需要一組電纜接入電機(jī)(而普通雙速電機(jī)需要高速電纜和低速電纜兩組)，每臺(tái)電機(jī)都可以節(jié)省數(shù)百米電纜，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。每臺(tái)電機(jī)都與外部主機(jī)相連接，在調(diào)度室就可以實(shí)時(shí)了解工作面的運(yùn)行情況，對(duì)整體的生產(chǎn)情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整部署，向無(wú)人值守智能化工作面的目標(biāo)又前進(jìn)了一步。

5 應(yīng)用前景

由于無(wú)功補(bǔ)償變頻一體化電機(jī)起動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)行可靠，擁有極好的功率因數(shù)，節(jié)能效果十分可觀，同時(shí)綜采工作面因?yàn)檫^(guò)載或堆煤而造成的堵轉(zhuǎn)、燒壞電機(jī)的問(wèn)題可以大大減少，因頻繁起動(dòng)或者倒轉(zhuǎn)而造成的斷鏈?zhǔn)鹿室不静粫?huì)發(fā)生，增加開(kāi)機(jī)率的同時(shí)還降低了能耗，不僅提高了產(chǎn)量，而且具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。無(wú)功補(bǔ)償一體化電機(jī)為采煤工作自動(dòng)化、智能化提供了新的思路，是一個(gè)值得推廣應(yīng)用的產(chǎn)品，也是未來(lái)礦用電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

Research on Reactive Power Compensation Variable Frequency Integrated Motor Driving Scraper Conveyer

REN Peiqing, ZHOU Jianjun, MA Yuqing

Scraper conveyer is the key equipment which affects the productivity of mechanized workface, the use of reactive power compensation and frequency conversion integrated motor drive AFC, not only could save energy but also improve the reliability of the AFC. Compares the normal motor and the integrated motor. The integrated motor has the function of reactive power compensation and variable frequency drive, and it is stable and reliable in starting and running with good application prospect.

Scraper conveyer; Reactive power compensation; Variable frequency drive

2017-02-16

任丕清(1963—)，男，山西汾陽(yáng)人，1985年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，成績(jī)優(yōu)異高級(jí)工程師，主要從事能源環(huán)境節(jié)能技術(shù)研發(fā)工作

(E-mail)rpq1221@163.com

TD528+.3

B

1672-0652(2017)03-0004-04