變頻調速技術在煤礦電機中的應用研究

張旭鋒

（山西煤炭運銷集團泰山隆安煤業有限公司， 山西 忻州 036600）

引言

對于我國各行業來說，煤炭企業消耗的電量是極多的，且消耗電力所需的成本投入也占據了其全部生產成本的極大部分，尤其是這一過程中的通風、提升以及排水等相關裝置的耗電數量極大，約占整個系統耗電總量的75%左右。因受到開始裝置型號選擇的影響，不少裝置實際運行時，無法滿足最大生產能力的要求，造成電能出現極大的浪費。煤炭企業要想進一步節約成本、改善產品質量，必須通過采取節能降耗的相關措施。而通過應用變頻調速技術，將煤炭企業中主要的耗能裝置加以合理改造，對于企業的節能減排以及工藝的進步均有極為重要的作用。由于變頻調速擁有非常優良的調速功能，且設備的開啟與制動過程非常平穩，可以滿足企業實現節能減排以及改善生產效率目標的相關要求。

1 變頻調速技術的優勢

以往煤礦開采過程中，所應用到的電機大多都是用直流的方式進行驅動的，且電機型號也都是直流串激型電動機。這種類型的電機擁有相對優良的牽引特性，若是負載轉距變大，則電機的轉速會有所減少。此種類型的電機共包含兩種不同的調速方式：其一，是主回路串電阻方式進行調速；其二是直流斬波裝置方式調節。采用主回路串電阻方式進行調速，相對來說較為簡單，不過卻會消耗較多的能量。若是采用直流斬波的方式進行調節，則能夠明顯減少能源的消耗。但由于直流電機自身存在一些缺陷，通過調速的方法還是不能避免。和以上兩種方法比較而言，采用變頻調速的方法，后序的維護工作相對少，電機啟動過程中擁有相對大的轉距值，可以更好地調節電機的轉速，同時還能減少電能的消耗，有效節約成本。在進行調速的過程中，電機速度的變化非常平穩，對于電網所帶來的影響相對較小，是未來電機調速的主要方式。由于采用變頻調速的方法具備相對優良的節能性，更加符合現代工業中對于環保的要求。同時，在科技快速發展的過程中，變頻調速設備的生產成本同樣會不斷降低[1]。所以，其在煤礦企業中的應用也定會更為廣泛。

2 變頻調速技術在煤礦電機中應用要點

1）當電機調速采用變頻調速技術時，可能會形成一些較大的電流，從而對電機帶來一定的損壞。一般情況下，當電源擁有相對大頻率時，電機所擁有的轉速也會增大，他們之間是存在正比例關聯性的。若是想避免電流對電機造成損壞的問題，則能夠通過應用正弦脈寬調節電路，應用此電路完成對電源頻率的任意調節，同時還能對電機所擁有的轉速進行任意的調節，并可以達到無級調速的目的。

2）在電機處于平滑的轉速情況下極易發生死區問題。而經過相關研究表明，低奇次的諧波存在極易誘發電機出現死區問題。這種情況下，能夠通過多重化的結構對此類問題加以解決。對于不同重所具有的相位差進一步優化或者是進一步的優化輸出的波形等方法，均可以有效降低諧波的出現[2]。

3）變頻調速方案。首先，能夠應用AC/DC的調節方法，使得公共電網之中的交流電轉化為直流電。再經由AC/DC的調節方法，將直流電再次的轉化為交流電。此時的交流電頻率能夠達到負載的要求。

3 變頻調速技術在煤礦皮帶系統中的應用

泰山隆安礦井田面積20.319 6 km2，設計年生產能力240萬t。我礦目前主運輸皮帶、北集中主運大巷輸皮帶，通過應用變頻調速技術，以提高電機的功率因數，使電機效率能夠被更加有效的利用[3]。

3.1 變頻調速技術的原理

依據電機學的相關理論，電機所擁有的同步轉速大小可以通過下式進行計算：

式中：p為電機中定子繞組所具有的磁極對數；f為電機的電源頻率大小。

對于某一個電機來說，其所擁有的磁極對數相對來說是固定不變的。所以，若想調節同步轉速，對電源的頻率大小進行調節便能夠實現。由此可知，電機的電源頻率大小和同步轉速之間的關系是成正相關的。若電機的電源頻率不斷增加，相應電機的轉速也會不斷增加。而若電機的電源頻率不斷遞減，相應電機的轉速也會相應的減小。上述通過對電源頻率大小的調控，來改變電機轉速的技術，便是變頻調速技術。

而異步電機所擁有的轉速公式為：

式中：s為電機所擁有的轉差率。

若是電機所擁有的轉差率是最優值，此時對電機所擁有的轉速進行調節，同樣可以通過對電機電源的頻率進行調節。而要想使電機無論處于何種轉速的條件下，都能夠處于額定的磁通內運行，則應當在對電源頻率調節的同時，保證對輸出電壓基波的幅值也進行同步呈比例的調節。通過改變定子供電頻率的大小，完成對電機進行較寬范圍之中的無極變速調整。

3.2 變頻調速技術在集中主運大巷運輸皮帶中的應用

該皮帶系統由于涉及到下山皮帶，皮帶纏繞比較復雜，因此在驅動過程中會產生能量回饋。南翼主運輸皮帶采用的是IPC控制系統，以及多臺變頻器共同驅動皮帶運行，系統控制示意圖如圖1所示。

變頻器主要負責根據皮帶的負載情況，實時調節電機的功率，其是通過應用三角載波信號和相應的正弦信號進行比對，并將其當成是產生信號。若參考信號所擁有的幅值有所波動，那么，信號的脈寬同樣會出現變化，也會導致回路之中的輸出電壓出現變化。采用此種技術對電機的轉速進行調節，是最為常見的調節方法。若是參考信號頻率有所波動，那其定會對輸出電壓頻率的大小帶來一定的影響。采用正弦脈寬調節方式對電機的轉速進行調節時，其最突出的特征便是處于半周期之內脈沖的中心線距離值是一樣的，同樣脈沖的振幅也是一致的。而通過調整脈沖所擁有的寬度值，便能夠確保正弦波下方相應的面積大小和，不同脈沖所擁有的面積之和是成正比例相關的。

圖1 集中主運大巷運輸皮帶系統控制示意圖

通過采用此種變頻調節方式，不僅可以實現速度的精確控制，使其穩定運行，提高功率因數使電機效率得到有效利用，優化了皮帶系統其他設備的使用壽命；而且能夠良好的處理能量回饋，在很大程度上解決了多臺變頻器驅動過程中的功率平衡問題。能夠保證在驅動過程中多臺電機、變頻器之間功率、轉矩、轉速、電流的相對平衡。

3.3 變頻調速技術在北集中大巷皮帶中的應用

我煤礦北集中大巷皮帶走勢基本平緩，坡度較小，因此采用電壓型變頻器控制系統控制。系統控制示意圖如圖2所示。

圖2 北集中大巷皮帶系統控制示意圖

在變頻調速各種方式中，采用V/F的調節方式是相對簡便的。特別是對于轉速的控制精度要求不高，且在對電機的動態性能要求不高時更為適用。所以，此種控制方法應用得最為廣泛，在煤礦企業中用到的電機其負載類型是屬于牽引型負。此種類型的電機不要求具有相對高精度的轉速調控。因此，較為適宜通過V/F的控制方式對電機的轉速進行調控。由于煤礦在井下開采作業中，巷道設計的長度通常很長，所以，電機的直流架線長度也相對較長，使得電機的供電電壓會在相對大的范圍內波動。所以，所應用的調速系統最適宜的是通過轉速開環、電壓閉環以及電流截止負反饋的調節方法，對電機的轉速加以調節。采用此種調節方式，若是在電路中電機所存在的負載值較大或者是發生堵轉問題時，此時電機的電流值將迅速增大，會較電機額定電流高出非常多。通過應用限制調節裝置，能夠有效控制電路中電流的大幅波動，可以有效保護電機以及調速設備。因為煤礦之中的直流架線距離值較長，所以，相應的供電電壓值便在很大程度上受到了直流架線的長度影響，從而使供電電壓值存在相對大的波動。在進行變頻調速時，為了更好地滿足電路中所擁有的這一特征。對于輸出電壓的調節時，采用閉路調節的方式，這樣進行V/F調控的過程中，便可以確保壓頻比保持不變。

北集中皮帶驅動系統于2015年年底開始調試，2016年2月投入使用。該系統是典型的電壓型變頻器驅動系統，很好的實現了傳動皮帶的平滑啟動、無級變速。而且在驅動過程中可以實現速度的精確控制、穩定運行，同時提高了功率因數使得電機效率得到有效利用，并且優化了皮帶系統其他設備的使用壽命。變頻器自帶欠壓、過壓、過流、過載、過熱以及失速等各種保護功能。

4 結語

變頻調節技術和電阻調速技術對比而言，擁有自身獨特的優勢，在運行過程中更加穩定，在使用期間也無需投入太多的維護成本，同時相關的調頻設備投資也不大，未來在煤礦電機的調速中將會得到廣泛的應用。

參考文獻

[1]吳震，張文磊.變頻調速技術在工業大型電機上的應用設計[J].科技視界，2016（12）：115-116

[2]李希芝，張則景，青玉芝，等.電機變頻調速系統原理分析與改進[J].電工技術，2016（8）：51；74

[3]王剛.變頻調速技術在煤礦電機中的應用研究[J].機械管理開發，2016（9）：89-90；140.