淺議礦用變頻器發展歷程及趨勢

梁劍超

（陽泉煤業集團股份有限公司一礦，山西陽泉 045008）

0 前言

采用變頻調速方式擁有高的功率因數，而且在進行調速、啟動以及制動的過程中，其性能更為優良，正是由于這些優勢，使得變頻調速技術在各個領域中的應用越來越廣泛。之前所采用的變頻器主要為高壓變頻器，其主要的構成部件為可控硅整流部件以及可控硅逆變部件等，此種裝置會產生相對大的諧波，這會在很大程度上影響大電網以及電機的正常運行。最近一段時間內，一些新型的變頻器逐漸出現，有效地克服了高壓變頻器的缺點，例如IG?BT變頻器以及SGCT變頻器等，這些變頻器擁有更為優異的性能，而且變頻器工作過程中所產生的諧波非常小，同時其功率因數也得以有效提升。

1 國產礦用變頻器的發展現狀

現階段，國內很多變頻器生產企業主要是生產一些低壓變頻裝置，而且變頻器的功率相對較低，很少有企業生產高壓變頻裝置。而可以研發、制造同時提供一些列服務的高壓變頻裝置企業更是少之又少[1]。目前，我國關于中壓電機以及高壓電機的變頻改造工作依舊處于起步階段，改造數量還是依舊較少。國內高壓變頻裝置無論在品種方面還是在性能方面等，均處在起步時期，還有大量的高壓變頻裝置要依賴于進口[2]。高壓變頻裝置的發展現狀主要體現為以下幾點：

（1）很多國外大型企業快速占領了國內的高壓變頻裝置市場，而且逐漸實現了本地化發展；

（2）我國企業的自主研發以及創新能力相對較弱，而且未能形成產業規模；

（3）國內企業所生產的高壓變頻裝置相對來說功率均不太高，大部分都在3 500 kW以下；

（4）我國還未建立統一且規范化的高壓變頻裝置標準；

（5）相關配套產業發展也較為滯后；

（6）在生產變頻器的過程中，所需一些核心部件，例如功率半導體以及電解電容等，均需要依靠進口。

2 礦用變頻器的未來發展態勢

交流變頻調速技術屬于強弱電混合調速技術，其不僅需要完成電能轉換整流工作以及逆變工作，同時還對收集的各種數據信息加以變換以及傳輸，所以，變頻器的內部也會劃分成為功率部分以及控制部分。功率部分主要是為了有效地處理與電流有關的相關問題，而控制部分主要是處理與軟件控制和硬件控制有關的問題[3]。所以，在今后的發展過程中，高壓變頻裝置也會依照這兩個方向而不斷發展：

（1）變頻裝置未來會不斷向著大功率化以及小型化發展；

（2）一些能夠承受更高電壓以及更大電流的電力半導體器件會逐漸地應用到變頻器裝置之中；

（3）未來無速度傳感裝置之中矢量控制技術、磁通控制技術以及直接轉矩控制技術等會越來越成熟，而且應用也會更為廣泛。

3 基于變頻器裝置的礦井提升機調速系統在河東煤礦中的應用

3.1 變頗器原理

在進行變頻調速的過程中，其實質上是變化電子繞組供電頻率值，而且實現電機轉速的改變。在變頻器裝置運行過程中，其能夠將電壓為380 V的市電，利用整流裝置而轉變成平滑的直流電，再應用GTO或者是IGBT等半導體元件，把直流電轉換為能夠改變電壓以及頻率的交流電，再利用正弦脈寬調制裝置，確保輸出的波形類似與正弦波，并利用轉變之后的電流作為電動機的輸入電流，這樣便能夠實現對電機的無極調速目標[4]。目前所使用的變頻器裝置工作原理基本一樣，具體原理圖如圖1所示。

圖1 變頻器結構原理圖

3.2 系統的總體方案設計

為了能夠進一步地增加提升設備運行過程中的安全系數，在進行變頻調速控制系統改造的過程中，將之前的電氣控制系統依舊保留下來，將主控制臺之中的一些PLC控制程序加以適當調整，確保控制程序能夠與新系統以及舊系統相互融合，這樣就能夠確保兩個控制系統可以互為備用，老系統便能夠作為系統的冗余。控制系統改造之后的整體結構示意圖如圖2所示。

圖2 工、變頻切換示意圖

在控制現場增設6 kV雙路供電高壓開關柜裝置，從而確保變頻裝置能夠獲所需電源。高壓變頻器的連接形式設計成一拖二形式，同時在電機裝置以及減速機裝置的軸端位置處均設置具有較高精度的編碼器部件[5]。另外，還設置有兩個工頻與變頻的手動切換柜，以便實現新系統和舊系統之間的運行切換工作。

在提升機設備處在正常運轉時，提升設備在調速系統控制之下運轉，而若是變頻調速系統出現了一些故障，或者是提升設備需要檢修情況下，便可以利用切換柜或者是利用主控臺，將提升機系統切換至工頻的運行狀態之下，而且在切換的過程中操作非常便捷。K1為隔離開關，和電源與變頻器裝置相互連接；K3也為隔離開關，其與電動機和變頻器裝置相互連接；K2的其中一端和工頻操系統之中換相器相互連接，另外的一端則通過電動機裝置而和工頻輸出相互連接。K1、K2以及K3之間的關系為互鎖關系[6]。開關K4屬于單刀雙擲類型開關，利用K4便能夠完成工頻運行模式與變頻運行模式之間的相互切換。

在提升設備處于變頻調速控制情況之下，其中K1以及K3會閉合，從而將變頻器裝置和電動機導通，而和K1與K3互鎖的K2此時則會自動關閉，這樣便確保了老系統之中的工頻控制電路被切斷。此時K4則處在變頻工作的一端，在對電動機進行轉速調節的過程中，主要是利用改變輸入電流的頻率從而實現電動機轉速的調節[7]。

4 高壓變頻調速系統在河東煤礦中的運行效果

在對控制系統加以全面的改進之后，利用變頻器裝置對提升設備進行調速控制，使得提升設備實際運行中表現出了以下優勢：

（1）提升系統的能耗數量更小。改變了之前通過串聯電阻的方式進行提升機調速，能夠有效減少電能消耗。結合河東煤礦的實際應用效果，河東煤礦在2017年的1月至11月期間，主井提升機系統每個月的能耗均值為284 234 kWh，應用變頻調速系統之后平均節能效率達到30%，用電價格按照0.5元計算，則平均每年可以節約電費為：284234×12×30%×0.5=511621元。

（2）進一步地改進提升設備運行效率。在經過變頻控制優化改造以后，提升設備依照實現設計好的速度圖實際運行，則能夠確保提升設備的循環時間從之前2 min縮減至1.5 min，能夠確保提升設備的效率增加33%左右。這樣不僅可以保證煤礦生產之中可以在規定時間之內完成計劃任務，同時還可以擁有更多時間用于設備的檢修與維護。

（3）提升機系統擁有更好的安全性。在對提升機控制系統進行改造之后，提升機設備能夠按照事先預設的速度完成自動運行工作，通過利用變頻器裝置而實現了電力制動，僅僅要求提升機設備的司機在提升機設備停止運行之中施閘定車即可，這樣便能夠確保提升機設備在運行過程中更加平穩與可靠[8]。

（4）確保提升機設備運行狀況得以有效改善。在加設了變頻器以后，使得提升機設備的電壓以及頻率等均能夠實現連續調節操作，使得提升機設備在啟動過程中以及加速過程中均不會出現電流沖擊問題。而且，采用變頻器調速代替電阻調速，可以確保電子轉子的溫度升高顯著減少，這樣便能夠保障設備更加穩定與安全的運行。

（5）采用變頻器對提升機設備進行控制之后，能夠將提升機的速率設定在0～2 m∕s范圍之中，無需人工操作便可以達到低速運行的目的，從而可以在低速下開展檢修工作。

在應用變頻器裝置之后，可以顯著提升高河煤礦主提升機設備運行的安全性以及可靠性，而且還擁有極大的經濟效益。

5 結語

隨著現階段交流變頻技術快速的發展，并且結合目前煤礦生產中對于提升設備相關需求，目前基于變頻器的提升設備控制系統應用越來越廣泛，而在提升設備的控制過程中，交流拖動的方式要較直流拖動的方式擁有更為優良的性能。在未來，交流變頻技術不斷發展與革新的過程中，基于變頻器的驅動控制系統也定會越來越成熟，將其應用在煤礦提升系統的改造工作之中，能夠進一步的增加系統安全性與穩定性，這也是未來變頻器在煤礦之中應用的趨勢。