浅谈煤矿高压电动机及变频控制器的选用

[摘要]煤炭是我国不可替代的主要能源，随着煤炭资源整合不断步入规范化，煤矿机械化程度不断提高，机械设备配备电动机功率也不断加大。为减少大功率电机起动高电流所带来的危害，则矿井需从供电电压等级及大功率电动机电压等级综合考虑分析，而后有效的选型，从而满足煤矿长远发展要求。

[关键词]煤矿；高电压等级；大功率电动机；高压电机

中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）24-0278-01

引言

随着煤炭行业不断迅猛发展，煤矿企业生产规模不断加大，改造项目越来越多。由于很多煤矿企业是由小煤窑规模的生产逐渐扩大而来，受厂区面积小的影响，很多新上项目选址偏离原有厂区，后果是使新建项目的取电源点远离原有厂区总降压变或者高压开关站，从经济上考虑则采用高压架空线路向新建项目送电。大功率电动机选用高电压等级正好满足合理供电要求。

1 高低压电动机选择

在矿井提升类、通风类、泵类、压风类设备选择中，如果所配电动机在200KW以上，通常会有配电方式选择的问题，是选择高压还是低压？可从以下几个方面理解和考虑：

（1）两者最关键差别在于：同等功率电动机，低压电动机比高压电动机额定电流大很多倍，与电源电压成反比。如果是380V与10KV比较，采用低压电动机的额定电流是高压电动机的26倍多。从起动电流角度，一般电动机起动电流是额定电流的6-7倍。大电流对电网的冲击和危害较大，一般需另外采用软起动或变频启动。

（2）选择低压，低压负荷总功率大，通过选用更大容量的变压器来实现。

（3）一般电气设计的原则：在某一个功率等级以上采用高压，在其下采用低压。一般这个分界线是200KW或250KW。

（4）对于200KW或250KW以上的电动机，应该尽量采用高压，这是规定中设计原则的原因。采用高压的优点主要有以下几条：

1）采用高压，一般可以直接启动，取决于起动时的母线压降。如选低压电动机，不能直接起动，必须加其他启动方式，减轻对电网的冲击和设备的影响。

2）如选低压电动机，变压器容量需要增加，而且变压损耗也增加，变压器10KV柜真空断路器开断电流也要增加，直接导致设备投资增加。

3）高压电机额定电流小，电缆截面积选用小。而200KW以上低压电机额定电流大，需要多根大电缆并联使用，且接线不方便，易因电缆头接触电阻大引起发热导致事故。

4）相对低压，采用高压电动机，操作、维护、设备维修更为方便和安全。由于低压电动机额定电流大，低压配电柜抽屉中元器件发热量大，又增加起动、电缆等元件和设备，相对而言，采用低压的故障概率高。

5）相对低压，采用高压电动机对电网的冲击和危害要小。

2 高压电机变频控制器

（1）高低高型变频器

变频器为低压变频器，采用输入降压变压器和输出升压变压器实现与高压电网和电机的接口。由于低压变频器电压低，电流不可能无限制上升，限制了变频器的容量。输出变压器的存在使系统的效率降低；另外，输出变压器在低频时磁耦合能力减弱，使变频器在启动时带载能力减弱。对电网的谐波大；输出变压器在升压的同时，对变频器产生dv/dt也同等放大。

（2）高低型变频器

变频器为低压变频器，输入侧采用变压器将高压变为低压，将高压电机换成特殊的低压电机。因采用低压变频器，容量较小，对电网侧的谐波较大。在变频器出现故障时，电机不能投入到工频电网运行，在有些不能停机的场合不适用。

（3）串级调速变频器

将异步电机部分转子能量回馈至电网，从而改变转子滑差实现调速，通过采用可控硅技术，需要使用绕线式异步电动机。其调速范围一般在70%～95%，调速范围窄。可控硅技术容易造成对电网的谐波污染；随着转速的降低，电网侧功率因数也变低，需要采取补偿措施。

（4）电流源型直接高压变频器

输入侧采用可控硅进行整流，采用电感储能，逆变侧用SGCT作为开关元件。因器件耐压水平有限，必须采用多个器件串联。由于输出侧只有两个电平，电机承受的dv/dt较大，必须采用输出滤波器。优点是不需要外加电路就可将负载的惯性能量回馈到电网。缺点是电网侧功率因数低，谐波大，且随着工况的变化而变，不好补偿。

（5）电压源型三电平变频器

采用二极管整流，电容储能，IGBT或IGCT逆变。三电平的逆变形式，采用二极管钳位方式，解决了两个器件串联的难题，技术上比两个器件简单，直接串联容易。同时，增加了一个输出电平，使输出波形比两电平好。主要问题是采用高压器件，输出侧的dv/dt仍旧比较严重，需采用输出滤波器。因受器件耐压水平限制，最高电压只能做到4160V。

（6）功率模块串联多电平变频器

采用低压变频器串联的方式实现高压，是电压源型变频器。其输入侧采用移相降压型变压器，实现18脉冲以上的整流方式，满足国际上对电网谐波最严格的要求。带负载时电网侧功率因数可达95%以上。

3 高压电机的发展

高压三相异步电机是现代煤矿企业的主要拖动设备，耗电量巨大。从生产工艺和节能的角度，目前大多高压电机都有调速的需求。高压电机调速节能对我国节能减排具有重大意义。

（1）高压三相异步电机主要有两种类型：一种是鼠笼式电机，结构简单，运行维护简便，但转子是封闭；另一种是绕线式电机，结构复杂，但转子是开放。从电机调速节能的角度看，高压鼠笼式电机调速节能实现困难，代价大，而高压绕线式电机则较易实现调速节能，代价小。

（2）两种电机的节能调速解决

对高压鼠笼式电机进行调速节能工作，因其转子是封闭，只能采用高压变频技术，即在电机定子高压供电侧，采用电力电子变流技术来改变定子供电频率以实现调速。其面临高压（6kV，10 kV）和大功率、变流等诸多问题，突出表现为：变流系统自身功耗大（达电机额定功率的3～6%）而影响节电率；系统复杂庞大而可靠性受影响；对使用环境要求苛刻，运行维护量大和维护费用高。

对高压绕线式电机，因其转子是开放，可在其转子回路由电力电子变流装置附加可调反电势实现串级调速。由于转子回路电压低，且变流功率小，如对于泵/风机类负载，最大变流功率仅为电机实际运行最大功率的14.8%，与高压变频的高压、全功率变流器相比，串级调速系统只是一个低压、小功率的变流器。

因而，采用绕线电机和现代串级调速技术（斩波式），变流功耗小（不到1%），节电率至少比高压变频高3～6%；现代高频斩波式串级调速变流系统简洁可靠，维护量和费用小；装置简洁、制造消耗铜铁材料少，是变频的1/3～1/4。由此，对高压三相异步电机调速而言，绕线式电机和现代高频斩波串级调速技术结合使用是更为适合。

4 结语

鉴于高压电机调速节能意义重大，在矿井供电设计、高压电机和变频控制器使用的选型方面进行技术研讨和社会经济效益比较，为矿井电机调速节能及长远发展奠定基础，从而实现合理选型、经济适用、安全可靠。

参考文献

[1] 《电气工程师手册》第二版编辑委员会.电气工程师手册[M].机械工业出版社，2005.

[2] 黄俊，王兆安.电力电子变流技术[M].机械工业出版社，2004.

[3] 周希章，周文.电动机的启动制动和调速（第2版）[M].机械工业出版社，2003.

作者简介

宋礼强（1976-），男，汉族，山东枣庄人，大专，主要从事煤矿机电安全管理工作。