李 軍申生太董淑棠顧潮青

(1.同煤集團永定莊煤業(yè)公司,山西省大同市,037024; 2.潞安礦業(yè)(集團)有限責任公司漳村煤礦,山西省長治市,046032; 3.太原惠特科技有限公司,山西省晉中市,030600)

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礦用中低壓變頻調(diào)速設(shè)備技術(shù)的現(xiàn)狀分析

李 軍1申生太2董淑棠3顧潮青3

(1.同煤集團永定莊煤業(yè)公司,山西省大同市,037024; 2.潞安礦業(yè)(集團)有限責任公司漳村煤礦,山西省長治市,046032; 3.太原惠特科技有限公司,山西省晉中市,030600)

摘 要闡述了礦用設(shè)備運行中存在的問題,研究了當前各種礦用變頻調(diào)速設(shè)備的工作原理、系統(tǒng)組成、功能及使用情況,探討了礦用變頻設(shè)備使用中應(yīng)該關(guān)注的問題及采取的措施,針對不同礦用設(shè)備應(yīng)該根據(jù)使用對象和工況特點進行選型配套,為用戶全面了解礦用變頻技術(shù)現(xiàn)狀和選型配套提供了良好的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞礦用變頻技術(shù) 現(xiàn)狀 分析

Status analysis of technology of mining medium-low-voltage frequency control equipment

Li Jun1,Shen Shengtai2,Dong Shutang3,Gu Chaoqing3
(1.Yongdingzhuang Coal Industry Co.,Ltd.,Datong Coal Group,Datong,Shanxi 037024,China; 2.Zhangcun Coal Mine,Lu＇an Mining Group Co.,Ltd.,Changzhi,Shanxi 046032,China; 3.Taiyuan Huite Science& Technology Co.,Ltd.,Jinzhong,Shanxi 030600,China)

Abstract The problems of mining equipment in the operation were elaborated,the operating principle,system composition,functions and service conditions of various kinds of mining frequency control equipment at present were studied,the issues of concern and the adopted measures of mining frequency control equipment in use were discussed.Type selection and matching of different mining equipment should carry out according to using objects and operating conditions,which provided good technical supports for customers to overall understand the mining frequency control technical status and type selection and matching.

Key words mining frequency control technology,status,analysis

1　概述

目前礦用拖動電機的功率越來越大,電機直接啟動時會產(chǎn)生4～8倍額定電流的大電流沖擊,極易造成電網(wǎng)電壓跌落,影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行,頻繁啟動時極易燒毀電氣元件,降低電機壽命,影響正常生產(chǎn);礦用各種設(shè)備在停車時,傳動系統(tǒng)的各處都存在著大小不等的間隙,在啟動時如果傳動系統(tǒng)尚未張緊之前就施加大轉(zhuǎn)矩啟動,就會產(chǎn)生嚴重的機械沖擊,會引發(fā)斷裂、剪切損壞和加劇磨損等一系列機械故障;礦用輸送設(shè)備由于受到運輸系統(tǒng)、地質(zhì)條件和其它設(shè)備聯(lián)動等諸多因素的影響,存在停車的隨機性,再次啟動時多為重載啟動,存在難以啟動的問題;礦用設(shè)備的拖動多數(shù)配置為大馬拉小車,存在功率富裕量大、系統(tǒng)效率低以及無效損耗大等問題,多機拖動時又存在功率不平衡等問題.

隨著電力電子技術(shù)及變頻控制技術(shù)的發(fā)展,變頻調(diào)速設(shè)備已經(jīng)在煤礦得到大量的推廣和應(yīng)用.目前,根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)或用途,國內(nèi)礦用變頻調(diào)速設(shè)備主要有變頻調(diào)速裝置、礦用變頻器和刮板輸送機用變頻器.由于變頻調(diào)速技術(shù)具有高效節(jié)能、故障率低以及控制性能好等優(yōu)點,在煤礦井下的絞車、提升機、局部通風機、帶式輸送機、刮板輸送機、增壓泵、采煤機牽引以及乳化液泵等負載的驅(qū)動上都得到了廣泛應(yīng)用,可以有效提高煤礦的能源利用效率、工藝控制及自動化水平,取得了顯著的應(yīng)用效果.

本文研究了各種變頻調(diào)速控制技術(shù)的工作原理、系統(tǒng)組成及各自使用情況,并詮釋了各種礦用變頻器的差異.指出了礦用變頻設(shè)備使用中存在的問題,并提出了應(yīng)采取的技術(shù)措施,以防止因減少功能而引發(fā)的生產(chǎn)事故.在多種變頻技術(shù)的條件下,為廣大煤礦用戶全面掌握變頻技術(shù)現(xiàn)狀、合理選型配套以及達到預(yù)期效果提供了技術(shù)支持,對合理使用礦用變頻設(shè)備具有重要的現(xiàn)實意義.

2　變頻調(diào)速控制技術(shù)及適應(yīng)性分析

2.1標量控制技術(shù)及適應(yīng)性

標量控制(V/F控制)是一種較為簡單的變頻控制技術(shù),基本原理是在調(diào)頻過程中對給定變化的電壓進行控制,解決變頻的同時又可以實現(xiàn)變壓,稱為VVVF,較為典型的是線性和平方標量控制.標量控制通過定子電壓、電流和頻率來間接控制電機的磁場和轉(zhuǎn)子電流,依據(jù)的控制規(guī)律是在正弦穩(wěn)態(tài)條件下確定的,這種控制規(guī)律在動態(tài)運行時,與電機的實際狀態(tài)不符,不適用于動態(tài)過程的控制,所以標量控制技術(shù)常用于風機和水泵等負載.

2.2矢量控制技術(shù)及適應(yīng)性

矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量,根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制,達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的.具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制,并同時控制兩分量間的幅值和相位,即控制定子電流矢量,所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式.矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等.無速度傳感器的矢量控制技術(shù)是當前應(yīng)用最廣泛的變頻調(diào)速控制技術(shù),其基本控制思想是根據(jù)輸入的電動機的銘牌參數(shù),按照轉(zhuǎn)矩計算公式分別對作為基本控制量的勵磁電流(或者磁通)和轉(zhuǎn)矩電流進行檢測,并通過控制電動機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流(或者磁通)和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測值達到一致,并輸出轉(zhuǎn)矩,從而實現(xiàn)矢量控制.這樣就可以將1臺三相異步電機等效為直流電機來控制,因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜態(tài)和動態(tài)性能.具有既可以控制異步電動機的轉(zhuǎn)速,又可以控制轉(zhuǎn)矩的性能,適用于煤礦既要求準確位置控制,又要求施力(或加速度)控制的場所,如礦用提升機.

2.3直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)

直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果,其基本原理是直接控制電機轉(zhuǎn)矩,使電機獲得極高的響應(yīng)頻率,保證電機具有良好的速度和轉(zhuǎn)矩控制能力.目前,國內(nèi)外市場上只有ABB公司真正實現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)矩控制,在40 Hz以下典型的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間在1～2 ms;帶編碼器的矢量控制和直流傳動響應(yīng)時間在10～20 ms,開環(huán)的標量控制響應(yīng)時間大于100 ms.直接轉(zhuǎn)矩控制可以在沒有編碼器或測速傳感器等速度反饋的情況下,實現(xiàn)頻率低于0.5 Hz的情況下提供1倍的額定轉(zhuǎn)矩,大于0.5 Hz后可提供2倍的額定轉(zhuǎn)矩,具有低速輸出大轉(zhuǎn)矩的特性,特別適應(yīng)于重載起動場所,如刮板輸送機和大坡度帶式輸送機.

3　各類礦用變頻調(diào)速設(shè)備的使用現(xiàn)狀分析

3.1變頻調(diào)速裝置的工作原理和使用

3.1.1工作原理

礦用變頻調(diào)速裝置,規(guī)定型號為ZJT,主要由整流器、濾波電路、逆變器和變頻器控制單元等部分組成,其工作原理如圖1所示.

圖1　變頻調(diào)速裝置工作原理

由圖1可以看出,其工作原理是把工頻電源通過整流器變成脈動直流,經(jīng)濾波電路濾波為平滑直流,然后利用半導(dǎo)體器件(一般為IGBT)組成的三相逆變器,將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電,由于采用微處理器編程的脈寬調(diào)制(PWM)方法,使輸出電流波形近似正弦波,用于驅(qū)動異步電機,實現(xiàn)無級調(diào)速.

3.1.2 使用情況

變頻調(diào)速裝置無隔離換向開關(guān)和輸出真空接觸器,設(shè)備使用時需配接饋電開關(guān);電機或外部電纜出現(xiàn)故障時,無法切斷變頻裝置與外部的連接,容易造成設(shè)備損壞,一般只具備變頻調(diào)速功能,在需要實現(xiàn)功率平衡或多電機驅(qū)動的控制時需外加控制箱;一般沒有與集控或自動化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的功能.

3.2礦用變頻器的工作原理和使用

3.2.1工作原理

礦用變頻器的規(guī)定型號為BPJ,主要由隔離換向開關(guān)、整流器、濾波電路、逆變器、輸出真空接觸器、變頻器控制單元和開關(guān)控制單元部分組成,其工作原理如圖2所示.

圖2　礦用變頻器工作原理

由圖2可以看出,礦用變頻器包含了變頻調(diào)速裝置的全部功能,輸入端帶有隔離換向開關(guān),可實現(xiàn)供電電源的隔離;輸出端配有真空接觸器,系統(tǒng)故障時,輸出真空接觸器可以保護設(shè)備安全;開關(guān)控制單元一般帶有簡易的PLC功能,多機拖動時,可實現(xiàn)多電機的功率平衡,還具有集控、遠控/本控等操作功能.

3.2.2使用情況

礦用變頻器相對于變頻調(diào)速裝置的使用維護更為方便,保護更全面,不需要選配饋電開關(guān),多機聯(lián)動時,自身可實現(xiàn)集中控制,并可實現(xiàn)遠控/本控操作;實現(xiàn)多電機驅(qū)動的功率平衡和在線無極調(diào)速.

3.3刮板輸送機用變頻器的工作原理及使用

3.3.1工作原理

礦用刮板輸送機用隔爆兼本質(zhì)安全型交流變頻器,規(guī)定型號為BPJ1－400/1140G,是太原惠特科技有限公司根據(jù)刮板輸送機特殊使用情況而研制的;型號中的G代表刮板輸送機專用,其工作原理如圖3所示.

圖3　刮板輸送機用變頻器工作原理

由圖3可以看出,刮板輸送機用變頻器由隔離換向開關(guān)、整流器、濾波電路、逆變器、變頻輸出真空接觸器、變頻器控制單元和開關(guān)控制單元構(gòu)成了完整的礦用變頻器,同時具備了相應(yīng)的功能;由隔離換向開關(guān)、工頻輸出真空接觸器和系統(tǒng)控制單元又構(gòu)成了完整的磁力啟動器回路,并具有相應(yīng)的功能,是礦用變頻器與磁力啟動器的一體化集成.

系統(tǒng)控制單元具有完備的PLC功能,具有可擴展性和通訊功能,可實現(xiàn)集控、遠控、本控和組網(wǎng)的通訊功能;在1.5倍額定電流以下可輸出2倍的額定轉(zhuǎn)矩,適應(yīng)重載難啟動;具有多電機的功率平衡功能,并能夠?qū)崿F(xiàn)機頭機尾電機運行電流差小于5％;具有根據(jù)刮板輸送機的工況,采煤機位置模糊控制功能,實現(xiàn)空載慢速、輕載低速、滿載全速的節(jié)能控制;不論負載大小,功率因素都保持在0.9以上,減少了無功損耗;具有大富裕量的配置,達到了1.5倍以上的過載能力可滿足刮板輸送機載荷劇烈波動的工況要求;磁力啟動器回路,可滿足刮板機頻繁點車和應(yīng)急使用.

3.3.2使用情況

刮板輸送機用變頻器適應(yīng)于刮板輸送機的控制,無需配接饋電開關(guān),就可滿足刮板輸送機的集控、遠控和本控等各種控制要求.在節(jié)能控制模式下運行,還可實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的,節(jié)能率達15％～20％,還可明顯減少機械磨損.

3.4其它專用變頻調(diào)速設(shè)備

在我國煤炭行業(yè)還專門為井下研制有局部通風機用雙電源雙變頻器、乳化液泵站專用變頻控制系統(tǒng)、帶式輸送機變頻張緊裝置等變頻設(shè)備,在煤礦井下也得到了一定范圍的應(yīng)用,并達到了預(yù)期效果.

4　關(guān)注的問題及應(yīng)采取的對策

4.1關(guān)注的問題

變頻調(diào)速設(shè)備在煤礦井下應(yīng)用日益廣泛的同時,也帶來嚴重的干擾問題.變頻器的輸入部分為整流電路,輸出部分為逆變電路,都是由起開關(guān)作用的非線性元件組成的,工作時都會產(chǎn)生高次諧波,從而使其輸入電源和輸出的電壓波形和電流波形發(fā)生畸變.電壓和電流的高次諧波成分以各種方式把自己的能量傳播出去,形成對變頻設(shè)備本身和其它設(shè)備的干擾.這導(dǎo)致出現(xiàn)前級電磁啟動器、饋電開關(guān)、低壓保護箱等設(shè)備的誤動作、控制系統(tǒng)誤報警、控制總線誤動作等,甚至在變頻設(shè)備工作時其它系統(tǒng)設(shè)備無法正常運行,從而造成系統(tǒng)設(shè)備故障和生產(chǎn)事故.

4.2應(yīng)采取的措施

變頻設(shè)備的干擾類型主要為電磁輻射干擾、傳導(dǎo)干擾和感應(yīng)耦合干擾,解決對策可以概括為隔離或抑制干擾源、切斷傳播途徑以及降低接收器對干擾信號的敏感性.一般通過以下手段解決電磁干擾的問題:采用隔離變壓器隔離外界對變頻設(shè)備的干擾,又可以隔離變頻設(shè)備對外界的干擾;在變頻設(shè)備的輸入及輸出側(cè)增加濾波器,可以濾除大部分高次諧波;除傳統(tǒng)的無源濾波器(LC濾波器)目前還在應(yīng)用外,諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器,它串聯(lián)或并聯(lián)于主電路中,實時從補償對象中檢測出諧波電流,由補償裝置產(chǎn)生一個與諧波電流大小相等且方向與之相反的補償電流,這樣使電網(wǎng)電流只含基波分量.這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行實時跟蹤和補償,且補償不受電網(wǎng)阻抗的影響,因此受到廣泛重視.其它還可以通過對設(shè)備和傳輸線進行屏蔽、合理的布線以及可靠正確的接地來進一步降低變頻設(shè)備帶來的輻射干擾以及感應(yīng)耦合干擾等.

5　結(jié)論

(1)變頻調(diào)速裝置因無隔離換向開關(guān)、輸出真空接觸器和開關(guān)控制單元,使用中必須另配輸入側(cè)饋電開關(guān),否則在系統(tǒng)故障時無法切斷電源;需要多機拖動的地方,必須配備集中控制系統(tǒng)使用,否則無法實現(xiàn)集中控制及級聯(lián)、遠控等操作功能,設(shè)備選型時必須考慮相關(guān)的增配設(shè)備.

(2)礦用變頻器一般具有隔離換向開關(guān)和輸出真空接觸器,可以取代原來的磁力啟動器,實現(xiàn)調(diào)速、控制和操作,不用考慮其它增配設(shè)備即可使用.

(3)刮板輸送機用變頻器除了具有礦用變頻器的功能以外,還增加了磁力啟動器回路;內(nèi)部配置的過載能力更大達1.5倍以上;具有節(jié)能控制模式,可以滿足刮板機的重載難啟動、負載突變和波動頻繁的要求,在啟動電流小于1.5倍額定電流下,輸出2倍的額定轉(zhuǎn)矩;功率因素保持在0.9以上;節(jié)能控制可實現(xiàn)15％～20％的節(jié)能效果;工頻回路可以滿足刮板輸送機的點動等特殊要求和應(yīng)急使用.

(4)其它礦用變頻設(shè)備可以根據(jù)控制對象進行專用變頻設(shè)備選型.

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(責任編輯 王雅琴)

★煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化★

作者簡介:李軍(1975－),男,山西天鎮(zhèn)人,碩士,大同煤礦集團永定莊煤業(yè)公司機電副總經(jīng)理,主要從事機電技術(shù)管理工作。

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