煤礦機電設備中高壓變頻器的選型及實踐應用研究

常 昊

（西山煤電集團公司西銘礦機電科， 山西 太原 030000）

引言

高壓大容量電機被廣泛應用于煤礦開采機械設備當中，并成為其主要的動力工具。在采煤機、提升機、通風機當中都安裝有高壓大容量電機來充當動力，查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)其能源消耗量為煤礦總能源的40%左右。我國煤礦機械設備中的機電設備采取的調(diào)速裝置比較落后，無法滿足當前國家節(jié)能減排的要求，造成了電能的大量浪費。綜上所述，基于煤礦生產(chǎn)的實踐應用，加強機電設備高壓變頻技術(shù)研發(fā)的應用是非常有價值的研究。

1 高壓變頻器的工作原理

通常情況把電壓在3～10 kV的變頻器稱為高壓變頻器。在實際的使用狀況下，實現(xiàn)高壓變頻器大都是采用串聯(lián)疊加的方式[1]，即采用多臺單相三電平逆變器串聯(lián)連接，來實現(xiàn)輸出可變頻變壓的高壓交流電。通常情況下，在主電路中使用多種拓補結(jié)構(gòu)來解決高壓變頻器的耐高壓問題，所以也常常使用三電平、功率單元串聯(lián)等拓補結(jié)構(gòu)來命名高壓變頻器，如圖1所示。

圖1 功率單元串聯(lián)高壓變頻器要示意圖

2 機電設備中高壓變頻器的選型分析

高壓變頻器通過相應的拓補結(jié)構(gòu)組合有多種類型，其在機電設備的應用過程中如何選型是一個關(guān)鍵問題。一般來講可以依照相應的功率、負荷類型與控制方式等進行選型。

2.1 依據(jù)功率進行的高壓變頻器選型

依據(jù)功率進行選型的主要原則有：第一，變頻與電機功率相等時，應依照有利于高壓變頻器高效工作的原則。第二，當變頻與電機的功率相差較大時，需要依照高壓變頻器功率保持與電機實際工作功能相近的原則。第三，對于工作繁重或是啟動頻繁的電動機應選擇大點的高壓變頻器。第四，電動機的工作功率有剩余時，需要選擇功率較電動機小的高壓變頻器。第五，功率不同時還要進行節(jié)能調(diào)節(jié)。從功率的視角來對高壓變頻器進行選擇是比較合理的，但需要考慮電機啟動時峰值電流對變頻器造成的影響。

2.2 進行變頻器負載類型的選擇

煤礦機電設備的負載情況是對高壓變頻器進行選擇的一種途徑。當前機電設備生產(chǎn)中主要是分轉(zhuǎn)矩負載、恒功率負載和降轉(zhuǎn)矩負載三種。一般通用的高壓變頻器能適用于機電設備的各類負載當中，恒功率負載是通過對U/f的控制來實現(xiàn)的。

2.3 根據(jù)控制方式來選擇選型

在高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，控制的方式主要有開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制多采用無速度傳感器矢量控制和普通功能U/f控制的高壓變頻器[2]。開環(huán)控制模式的優(yōu)點在于其結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠性較高；其缺點在于調(diào)速的精度較差，動態(tài)響應性不高，不能很好的適用于低調(diào)速區(qū)域。閉環(huán)控制多采用有速度傳感器矢量控制或帶有PID控制器U/f控制的高壓變頻器，其控制方式的優(yōu)點在于調(diào)速范圍高、精度較高，動態(tài)響應性也高，缺點在于系統(tǒng)的適用范圍只為相應的壓力、速度和流量以及PH值等方向。

3 高壓變頻器在煤礦機電設備中實踐應用

3.1 高壓變頻器在采煤機中的實踐應用

采煤機是具有精密結(jié)構(gòu)的機械設備，但是其工作環(huán)境十分惡劣，嚴重影響著其工作性能。當前的采煤機與PLC可編程控制器結(jié)合在一起實行全自動、全方位的檢測監(jiān)控管理，其工作性能大大增加。高壓變頻器在采煤機中的應用可以進一步對設備的運行情況進行調(diào)節(jié)，具有操作簡單、靈敏操作高等優(yōu)點。當前abb acs800系統(tǒng)、g5 g7系列以及西門子的水冷系列高壓變頻器已大量應用于國內(nèi)的煤礦采煤機當中，通過一拖一或一拖二的調(diào)速模式實現(xiàn)其調(diào)速的目的[3]。

3.2 高壓變頻器在提升機中的實踐應用

采用變頻調(diào)速技術(shù)對提升機進行技術(shù)改造，對其控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)對提升機運行速度的控制。當提升機電動機在運用變頻器控制之后，可以實現(xiàn)運行平緩、控制集運行、保護安全、處理信號、制動電子等功能與作用于一體，從而實現(xiàn)最終的節(jié)能效果。雞西礦業(yè)集團的左有君等人對梨樹煤礦中箕斗井絞車的電控系統(tǒng)進行高壓變頻器改造的實踐應用后（如圖2所示），發(fā)現(xiàn)其節(jié)能效果非常明顯，改造后噸煤的電能消耗量降低了34.2%[4]，同時也節(jié)約了維修和管理費用。

圖2 梨樹煤礦高壓變頻調(diào)速箕斗井絞車示意圖

3.3 高壓變頻器在通風機中的實踐應用

煤礦通風機的作用在于對煤礦開采巷道提供風，涉及到整個煤礦的安全生產(chǎn)問題，必須加以重視和防范。通風機是煤礦的呼吸通道，隨著開采任務的進行，其通風壓力也越來越大。這時就需要對通風機的功率進行適當調(diào)整，但是容易造成電機的燒壞。高壓變頻器的結(jié)合應用就可以實現(xiàn)通風機電機的自由啟動和停止，保障了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實際的高壓變頻器改進使用過程中，還需要考慮通風機運行的不間斷性。

3.4 高壓變頻器在井下傳送帶中的實踐應用

煤礦井下帶式運輸機的主要工作任務是實現(xiàn)遠距離物料的運輸，以確保煤炭運輸過程中的連續(xù)性。高壓變頻技術(shù)的應用可以實現(xiàn)皮帶機電機的軟啟動目的，進一步保證帶式運輸機的平穩(wěn)啟動和穩(wěn)定運輸。相關(guān)技術(shù)研究表明，高壓變頻器的應用可以實現(xiàn)帶式運輸機能源利用率的92%，是非常值得推廣的一項節(jié)能技術(shù)[5]。

4 結(jié)語

在國家提倡節(jié)能減排的大政策當中，作為煤礦企業(yè)來講，在生產(chǎn)和經(jīng)營過程中需注意節(jié)能問題，進一步降低生產(chǎn)過程中的能源消耗量，達到國家提倡的節(jié)能減排的要求。高壓變頻器的合理利用可以提高煤礦機械機電設備的靈敏度，降低能耗，提高機電設備工作的穩(wěn)定性，延長其使用壽命。

參考文獻

[1]李欣.煤礦機電設備中高壓變頻器的選型及應用[J].機械管理開發(fā)，2017（10）：50-51

[2]馮璐.煤礦機電設備中高壓變頻器的選型及應用[J].機電工程技術(shù)，2016，45（1）：123-124；137.

[3]王亮.煤礦機電設備中高壓變頻器的應用與選型[J].科技傳播，2014，6（21）：117；119.

[4]趙興來，訾建新.煤礦機電設備中高壓變頻器的應用與選型[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2013（5）：87-88.

[5]陳欽.淺析高壓變頻器在煤礦機電設備中的應用與選型[J].科技創(chuàng)新導報，2008（22）：51.