變頻技術在煤礦流體負荷設備中的應用研究

常志丹

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司， 山西 長治 046600）

引言

煤礦流體負荷設備主要指礦井排水設備和通風設備，它們在煤礦日常生產中應用廣泛，對煤礦安全生產具有關鍵作用。排水設備的正常運轉將采掘工作面或其他涌水點涌出的水收集后經井下排水系統(tǒng)及時排至地面，確保工作面的場地環(huán)境符合生產要求；通風設備的正常運轉把井下工作面、巷道等場所的污濁氣體置換為新鮮空氣，確保井下的氣體環(huán)境符合要求，同時附帶排出煤礦開采過程中的生產熱量的作用，確保煤礦安全開采。

1 變頻技術的特點

傳統(tǒng)的流體負荷設備采用50 Hz 固定頻率交流電直接控制，在設備突然降速或停止過程中會產生感應電流，破壞用電設備穩(wěn)定，感應電流作用下產生大量的電阻熱，會降低流體負荷設備和電動機的可靠度和使用年限；傳統(tǒng)的流體負荷設備使用恒壓交流電驅動流體負荷設備，當流體負荷設備啟動或負載降低時，供電系統(tǒng)不能根據負載情況調整供電系統(tǒng)的電力輸出，造成大量能源浪費，對設備的耐久性產生不利影響[1]。變頻技術使用整流設備將供電系統(tǒng)輸出的恒定頻率交流電變?yōu)橹绷麟姡缓蠼涀冾l裝置作用轉變?yōu)榭梢钥刂祁l率的交流電，將常用的50 Hz 固定頻率的交流電，轉換為頻率可以調整的交流電，根據流體設備的負載情況調整供電系統(tǒng)的電流輸出頻率，在流體負荷設備突然降速或停止轉動時，變頻供電系統(tǒng)能及時降低電網的電流輸出頻率，從而降低電動機中產生感應電流大小，減少電阻熱的產生，提高了用電設備的穩(wěn)定性和耐久性；變頻技術結合PLC 智能控制技術，能根據流體負荷設備的負載情況，及時調整供電系統(tǒng)的電能輸出，當流體負荷設備啟動或降低負載時，在PLC 智能系統(tǒng)的控制下，變頻設備能及時降低供電系統(tǒng)的輸出功率，避免電能的浪費[2]，保證設備的平穩(wěn)持久運行。

2 變頻技術的作用機理

2.1 傳統(tǒng)的流體設備控制特點

流體負荷設備的使用過程中，供電網路輸出電流驅動電動機M 產生同步轉速N1，電動機轉動驅動流體負荷設備產生帶動轉速N2，流體負荷設備啟動、正常運轉、突然降速和停止運轉時，電動機和流體負荷設備的相對轉速與感應電流的關系如圖1 所示，T 表示流體負荷設備突然降速或停止運轉的瞬時時刻，橫坐標H 表示電動機同步轉速與流體負荷設備帶動轉速之差，三者之間的數學關系式為H=N1-N2，縱坐標I表示感應電流大小和方向。圖1 中A 表示流體負荷設備啟動或正常運轉時，電動機同步轉速N1大于等于流體負荷設備的帶動轉速N2，H≥0，相對轉速成逆時鐘旋轉方向切割電磁場，產生的感應電力與供電系統(tǒng)的輸出電流方向相同，是有益電流；圖1 中B 表示在T 時間點，流體負荷設備突然降速或停止運轉，此時電動機同步轉速N1小于等于流體負荷設備的帶動轉速N2，H≤0，相對轉速呈順時鐘旋轉方向切割電磁場，產生的感應電力與供電系統(tǒng)的輸出電流方向相反，破壞供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低流體負荷設備的可靠度，是有害電流；相反的感應電流方向影響電動機驅動系統(tǒng)的穩(wěn)定，產生一定的電阻熱，增加了電動機和流體負荷設備的損耗，降低了電動機用電設備和流體負荷設備的穩(wěn)定性和耐久性，感應電流的輸出功率為有害功率。

圖1 相對轉速與感應電流的關系

因此，當流體負荷設備突然降速或停轉的瞬間，電動機和流體負荷設備間產生的感應電流為有害電流，降低有害的感應電流大小，有利于提高電動機和流體負荷設備的穩(wěn)定性和耐久性，但傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)輸出的為50 Hz 恒定頻率的交流電壓，先天決定了它不能根據流體負荷設備負荷的大小調整自己的頻率。當電動機的同步轉速與流體負荷設備的帶動轉速間的相對轉速不變時，降低供電系統(tǒng)降低輸入電流的頻率可以降低感應電流量的大小。當流體負荷設備突然降速或停止轉動時，通過降低輸入電流的頻率，可以降低有害的感應電流的大小，從而保護電動機和流體負荷設備的安全使用，提高電動機和流體負荷設備的可靠度。

2.2 變頻技術的優(yōu)越性

變頻技術的作用機理如圖2 所示，將供電系統(tǒng)內50 Hz 固定頻率的交流電通過整流器，供電系統(tǒng)輸出的交流電變?yōu)橹绷麟娸斎胱冾l設備，直流電通過變頻設備后變?yōu)轭l率可控的交流電，結合PLC 智能化控制技術，根據監(jiān)測到的流體負荷設備的負載情況，及時調整供電系統(tǒng)的電能輸出，在流體負荷設備突然降速或停止運轉時，變頻供電系統(tǒng)能及時降低電網的電流輸出頻率，同時減少電阻熱的產生，提高了用電設備的穩(wěn)定性和耐久性。

圖2 變頻技術的作用機理

3 變頻技術與PLC 技術的結合

在把變頻技術應用到現場流體負荷設備系統(tǒng)的過程中，需要把變頻技術和PLC 智能監(jiān)測控制技術結合起來，變頻技術負責把恒定頻率的交流電轉換為頻率可控的交流電，PLC 智能控制技術則充當中央處理器的作用，它根據監(jiān)測到的流體負荷設備的負載變化控制變頻系統(tǒng)調整供電系統(tǒng)輸出電流的頻率。當流體負荷設備突然降速或停止轉動時，在PLC 監(jiān)測控制系統(tǒng)及時監(jiān)測負載的變化，通過信號轉換裝置轉換成數字信號，輸入控制器中，控制器中預先存入的邏輯語句對輸入的信號進行及時的判斷，當邏輯結果為真時，將降頻控制信號經輸出模塊的轉換傳遞給變頻系統(tǒng)，控制變頻系統(tǒng)降低輸入電流的頻率，從而降低流體負荷設備的能耗，優(yōu)化機械系統(tǒng)的的結構，同時節(jié)約了大量的能源。

為了增強流體負荷設備的耐久性能，減少設備的故障率，結合變頻技術和PLC 智能監(jiān)測控制技術設計一種集監(jiān)測、控制于一體的自動變頻系統(tǒng)嵌入流體負荷設備的運轉系統(tǒng)。自動變頻系統(tǒng)的關鍵技術是：

1）供電系統(tǒng)內50 Hz 固定頻率的交流電通過二極管整流器整流后，把供電系統(tǒng)輸出的恒定頻率的交流電變?yōu)橹绷麟娸斎胱冾l設備，直流電通過變頻設備后變?yōu)轭l率可控的交流電，根據PLC 監(jiān)測控制系統(tǒng)輸出模塊輸出的控制信號及時調整輸入頻率的大小，從而降低流體負荷設備突然降速或停轉時產生的感應電流。

2）PLC 檢測控制系統(tǒng)對流體負荷設備的監(jiān)測和識別[3]。PLC 監(jiān)測控制系統(tǒng)的模塊如圖3 所示，系統(tǒng)主要由監(jiān)測模塊、輸入模塊、控制模塊和輸出模塊組成。PLC 監(jiān)測控制系統(tǒng)利用單片機技術，集監(jiān)測、信號轉換、實時控制等為一體嵌入到流體負荷設備的運轉系統(tǒng)中，當遇到流體負荷設備突然降速或停止運轉時，監(jiān)控系統(tǒng)能及時收集、反饋實時信息，經控制模塊中預先存入的邏輯判斷語句的判斷，及時控制供電系統(tǒng)輸入電流的頻率。在控制模塊中預先編程邏輯判斷語句，當電流降低幅度達到一定值后，自動變頻系統(tǒng)控制供電系統(tǒng)降低輸入電流的頻率，控制模塊中預先設定的電力變化值一般由流體負荷設備使用單位統(tǒng)計流體負荷設備突然降速或停止運轉時電流的降低幅度值經統(tǒng)計分析后確定。設計完成的自動變頻系統(tǒng)能夠將50 Hz 恒壓交流電轉換為頻率可控的交流電，能夠實時監(jiān)測流體負荷設備突然降速或停止運轉時電流的降低幅度，能控制供電系統(tǒng)及時調整輸入電流的頻率，在保護電動機和流體負荷設備的安全使用，提高電動機和流體負荷設備的可靠度的同時，控制供電系統(tǒng)降低輸入電流的頻率，從而降低流體負荷設備的能耗。

圖3 PLC 監(jiān)測控制系統(tǒng)組成模塊

4 自動變頻系統(tǒng)在流體負荷設備中的應用

煤礦流體負荷設備在煤礦日常生產中應用廣泛，對煤礦安全生產具有關鍵作用，煤礦開采過程中使用的流體負荷設備較多，易損壞，故障維修率高，能源消耗大，給煤礦生產用電造成一定壓力。自動變頻系統(tǒng)通過監(jiān)測流經電動機電流突然降速的幅度，識別流體負荷設備的負載狀態(tài)，并控制供電系統(tǒng)輸入電流的頻率，提高了電動機和流體負荷設備的可靠度，降低了流體負荷設備的能源成本。根據上述自動變頻系統(tǒng)的作用機理，統(tǒng)計了2021 年3 月20 日現場流體負荷設備突然降速或停止運轉瞬間電動機電流變化趨勢，如下頁圖4 所示。從圖4 中可以發(fā)現，2021 年3 月20日，現場流體負荷設備共發(fā)生三次突然降速或停止轉動，當流體設備突然降速或停止運轉時，驅動電動機的電流發(fā)生明顯下降，下降幅度超過60%，在流體負荷設備現場試運行自動變頻系統(tǒng)時，在PLC 控制模塊中設置預警值60%。自動變頻系統(tǒng)運行時，整流變頻裝置把供電系統(tǒng)內50 Hz 固定頻率的交流電通過二極管整流器整流后，變?yōu)轭l率可控的交流電；PLC監(jiān)測控制系統(tǒng)實時監(jiān)測流體負荷設備的驅動電機的電流變化，并將電流變化的幅度轉化為可識別的數字信號輸入PLC 系統(tǒng)控制模塊，在PLC 監(jiān)測控制系統(tǒng)中預先編程控制語句；當電動機電流降低幅度大于60%時，邏輯結果為真，然后把控制模塊輸出的數字信號經輸出模塊轉換為可以被自動變頻設備識別的電信號，控制自動變頻系統(tǒng)降低供電系統(tǒng)的輸入電流頻率，從而提高電動機和流體負荷設備的耐久性和穩(wěn)定性，減少能源的損耗。

圖4 流體負荷設備突然降速或停止運轉時電動機瞬時電流變化

運行結果表明，自動變頻設備能實時監(jiān)測流體負荷設備的負載變化，通過整流變頻設備及時調整輸入電流，在提高電動機和流體負荷設備的耐久性和穩(wěn)定性，減少能源的損耗方面具有重要意義。

5 結語

隨著科學技術的發(fā)展，煤礦開采作業(yè)逐漸趨于自動化、精細化，傳統(tǒng)的機械設備使用方法逐漸無法適應精細化煤炭開采的需求。自動變頻技術因其在提高設備可靠度、降低設備能耗方面的優(yōu)勢逐漸成為煤礦智能化研究的熱點。分析了變頻技術的作用機理，與傳統(tǒng)的流體負荷設備使用方法相比，變頻技術可以有效提高設備的可靠度，降低能源的消耗率。結合變頻技術和PLC 智能化控制技術設計了一種自控變頻控制系統(tǒng)。自動變頻技術能實時監(jiān)測流體負荷設備的突然降速或停止運轉，并控制變頻裝置調整供電系統(tǒng)輸入電流的頻率，具有一定的實用價值。