变频器在煤矿中的应用

摘要

随着我国市场经济的深入发展，煤矿的增产、降耗、提效被提到了重要地位，为了减少企业的运行成本，减少电力的不必要损耗，对相关大功率装备进行技术性节能改造势在必行。大中型矿井中的主要机电设备，如提升设备功率大且设备运行工况复杂多变，对传动控制和降低能耗提出了进一步要求。在矿井中的应用，变频器作为特殊的低频电源，在保持输出频率不变的情况下，根据外部控制信号的要求和实际的运行速度，控制输出电压的大小，实现了矿井提升机高压电机减速段的平稳制动和稳定爬行。变频器的使用一方面可自动调节电机在最佳工况区域内运行，提高调节精度，改善工况；另一方面大大降低了能耗，节约运行成本。本文针对变频技术的基本原理进行简单介绍，并结合实际项目对变频器在矿井设备，主要是矿井提升机中的应用进行分析和研究。

关键词： 变频器；矿井；调速；节能；提升机

中图分类号：TN773文献标识码： A

0、引言

近年来我国国民经济持续快速发展，电力、冶金、建材、化工等行业的高速发展导致了对煤炭需求的大幅度增加，矿井规模越来越大，尤其是设计生产能力在0.6Mt/a以上的大中型新建矿井增长速度较快。相对小型矿井，大中型矿井的主要机电设备，如回风井通风机、副斜井提升机等功率大运行时间长，功率范围在几百至几千千瓦，且设备运行情况复杂、工况变化大，耗电量大，仅通风机和提升机的耗电量约占全矿井用电量的20%～30%[1]，因此在供电设计时，既要充分考虑调节控制的科学性，又要考虑技术经济合理性。随着电子技术、计算机技术、自动控制技术、大功率输出技术的迅速发展，变频调速技术以其优异的调速和起制动性能、高效率、 高功率因数和节电效果及其他诸多优点被国内外公认为是最有发展前途的调速方式，将变频器应用于矿井，在改善工况、提高调节性能、降低能耗、减少电压波动等方面取得了较好的效果。

1 变频器的介绍及优点

1.1 变频调速的原理

以异步电机为例，变频调速的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：（1）

式中，N为电机转子转速，r/min；f为电源频率，HZ；

P为电机极数；s为转差率。

当极数P不变时，电动机转子转速n与电源频率f成正比，因此连续的改变供电电源的频率，可以连续平滑的调节电动机转速[2]。

1.2 变频器的组成

变频器的任务是把电压和频率恒定的电网电源变为电压和频率可调的变频电源，变频器可分为交-交变频和交-直-交变频，目前后者使用较为广泛，交-直-交变频器主回路图（如图1所示）是变频器的核心电路，由整流单元，直流滤波单元和逆变单元组成，还包括有限流电路、制动电路、控制电路等组成部分。 变频器的整流电路将工频电源进行整流，经中间直流环节滤波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源；逆变电路在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，是变频器的核心电路。

图1 变频器基本电路

1.3 变频器的优点

变频器的主要目的是通过改变输出频率及输出电压，实现对电机转速的控制，除此之外，变频器在实际应用中还有以下优点[3]：

（1） 实现了软启动和软停机，启动电流小，减轻了对电网的冲击；启动速度平稳，设备运行更加平稳可靠；

（2） 调速效率高，可实现连续调速，且变速平滑；

（3） 启动及加速换挡时降低了冲击电流，减轻了对电网的冲击，电机主回路简单，无需加软启；

（4） 安全保护功能齐全，具有过压、欠压、过载、短路、温升等保护功能，降低了故障率；

（5）具备完备的安全保护功能；

（6） 显著的节能效果。

2、变频器在矿井副斜井提升机中的应用

副斜井提升机在矿井中担负着升降人员、提升矿物、运送材料及升降设备、工具等任务，是联系矿井地面与井下的重要运输设备[4]。因此，矿井提升设备在矿井生产的全过程中占着极其重要的地位，其安全可靠尤为突出。在矿井生产过程中，如果提升设备出了故障，必然造成停产。轻者，影响煤炭产量，重者，则会危及人身安全。

矿井提升机具有以下显著的运行特点：

（1） 启动频繁，运行过程具有周期性，每一次提升或下放都可以分解为加速、等速、减速、爬行等阶段，煤矿安全规程中对每一阶段的运行速度、加、减速度有明确要求；

（2） 电动机存在电动和发电两种运行状态。

提升机的运行特点要求电气传动装置能适应电机频繁启动、停止、调速及换相要求，有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行。

2.1 提升机的调速方案

2.1.1 交流绕线式异步电动机转子串电阻提升系统

目前我国矿井大多数提升机调速采用转子回路串电阻的调速方式[5]，如图2所示，该方式由时间继电器-交流接触器组成逻辑控制装置，采用投入或切除各段电阻实现减速或加速的运行过程，这种调速方法为有级调速，调速性能差，控制精度低，控制电路复杂，效率低，调速时大量能量消耗在电阻上，一般电阻上消耗的功率约为电动机输出功率的20%~30%。

2.1.2交流变频调速方案

采用变频调速可实现提升机的平稳加速和精确调速，提高提升系统的安全水平，选择带回馈制动功能的变频器，还可以节约电能。

图2 电动机转子串电阻调速系统 图3 提升机变频器结构框图

提升机交流变频调速系统（结构框图如图3所示）运行主要分为两个过程：

（1）提升机电机作为电动机的过程（提升机正常加速或等速运行阶段），即正常的逆变过程：该过程主要由整流、滤波和正常逆变三大部分组成，正常逆变过程是其核心部分，它改变电机定子的供电频率、改变输出电压，起到调速作用；

（2）提升机电机作为发电机的过程（提升机减速或下放重物阶段），即能量回馈过程：该过程主要由整流、回馈逆变和输出滤波三部分组成，回馈逆变部分是整个回馈过程的核心部分，该部分通过回馈逆变单元输出与电网电压相位一致的电压，在减速和重物下放操作时向电网回馈能量[5]。

2.2 变频器在晋牛煤矿副斜井提升机上的应用

晋牛煤矿副斜井井筒倾角18°，井筒斜长283m，主要担负矿井设备、材料及大件等辅助提升任务，选用1台JK-3×2.2/31.5E型单绳缠绕式单滚筒矿井提升机，提升机配套三相交流变频异步电动机，电机功率400kW，电压等级AC690V，电机额定转数740r/min。提升方式为单水平单钩串车提升，上下平车场，提升长度：333m 。

本项目采用变频器带回馈制动单元、主回路为6/12脉动的矢量控制系统，系统图如图4所示。该系统由控制系统（上位机、PLC控制柜）、变频器、减速器、编码器等组成，变频器含功率单元、变频控制及回馈控制单元。

提升机每次提升或下放过程均按照启动-低速运行-加速-稳定运行-减速-低速运行-爬行-制动停车七个阶段运行，提升机开始运行后，安装于电动机主轴上的轴编码器实时检测主电动机的转速，PLC根据此转速信号和运行时间计算提升机的累计提升行程并判断得出提升机位于七段速度图中哪个阶段，根据速度图给出运行速度要求，变频器按照PLC的调速要求输出相应的电源频率和电压大小，达到调节电机速度的目的，通过变频调速方式，可保证电机的实际速度紧跟预定的速度值变化，实现提升机在各阶段间的平滑过渡。

图4 提升机变频调速控制系统图

3、结语

本文以矿井提升机为例，分析了变频器在电机调速、高效节能方面表现出的优势。随着科学技术的不断进步，交流电动机变频调速技术已日趋完善，在煤矿企业技术改造和产品更新换代及在节能和实现生产过程自动化方面都取得了明显的效果。我国是世界上的产煤大国，又是能源贫乏的国家之一，而且也是吨煤电耗比较高的国家。我们要创造出一条以低能耗实现现代化的新路，节能降耗实为明智之举。因此须积极推广先进的交流变频调速技术，用先进的设备改造煤矿等传统产业，促进工业自动化的进一步发展。

参考文献

[1]于励民，仵自连. 矿山固定设备选型使用手册[M]. 北京：机械工业出版社，2011

[2]田效伍.交流调速系统与变频器应用[M]. 北京：中国电力出版社，2007

[3] 牛海明. 变频调速在煤矿企业的应用[J]. 科技情报开发与经济，2003（04） ：187-188

[4]毋虎城，裴文喜. 矿山运输与提升设备[M]. 北京：煤炭工业出版社，2004

[5] 王明泉. 变频器在矿山提升机中的应用研究[J]. 价值工程. 2010（27）：225