武國(guó)強(qiáng)

(西山煤電股份公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

變頻調(diào)速技術(shù)是一種以改變交流電動(dòng)機(jī)的供電頻率達(dá)到交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速目的技術(shù)。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和啟制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其他許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。

煤礦井下運(yùn)輸方式已經(jīng)從小距離、小功率接力運(yùn)輸向長(zhǎng)距離、大功率方向發(fā)展，加上煤礦井下設(shè)備功率不斷增大，尤其是皮帶及斜井提升設(shè)備的應(yīng)用，使得礦井對(duì)大功率變頻器的需求也越來越迫切。交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是新發(fā)展起來的電力拖動(dòng)先進(jìn)技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，利用交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為現(xiàn)代變頻技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。

1 能量回饋型交流變頻調(diào)速設(shè)備的引進(jìn)

西山煤電股份公司鎮(zhèn)城底礦主井使用的架空乘人裝置為湘潭市恒欣實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的RJY75 -26/3000(A)型架空乘人裝置。工作距離約960 m，工作坡度16°，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率75 kW，運(yùn)輸速度為1.2 m/s，最多同時(shí)乘坐人數(shù)約為200 人，屬于大功率機(jī)電設(shè)備。之前該架空乘人裝置使用的是能耗制動(dòng)型變頻器，該變頻器長(zhǎng)時(shí)間工作在制動(dòng)狀態(tài)下時(shí)會(huì)消耗大量的能量，產(chǎn)生很多熱量，使得耗能電阻箱時(shí)常由于溫升過高而出現(xiàn)問題，并且耗能電阻占地面積大，增加了現(xiàn)場(chǎng)安裝的難度。為此，該礦引進(jìn)了能量回饋型的交流變頻調(diào)速設(shè)備，該設(shè)備可以將再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)的電能回饋至電網(wǎng)，增強(qiáng)了設(shè)備的制動(dòng)能力，電能得到了充分的回收利用，節(jié)能效果顯著。在變頻回饋環(huán)節(jié)中加入了電抗器，主要作用是進(jìn)行電流濾波，使回饋至電網(wǎng)的電流平穩(wěn)地趨近于電網(wǎng)電流的幅值和頻率，有效減少電網(wǎng)的諧波污染。

2 變頻設(shè)備的工作原理及實(shí)施

1)變頻器在能量回饋環(huán)節(jié)中的工作原理。

將運(yùn)動(dòng)中負(fù)載上的機(jī)械能(位能、動(dòng)能)通過能量回饋裝置變換成電能(再生電能)并回送給交流電網(wǎng)，供附近其他用電設(shè)備使用，使電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在單位時(shí)間能耗下降，達(dá)到節(jié)約電能的目的。

2)能量回饋的實(shí)施。

通用變頻器、異步電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載(架空乘人裝置)所組成的變頻調(diào)速傳統(tǒng)系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)所傳動(dòng)的位能負(fù)載(由主斜井乘坐猴車入井的人員)下放時(shí)，電動(dòng)機(jī)將可能處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài);或當(dāng)電動(dòng)機(jī)從高速到低速(含停車)減速時(shí)，頻率可以突減，但因電機(jī)的機(jī)械慣性，電機(jī)可能處于再生發(fā)電狀態(tài);傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，通過逆變器的6 個(gè)續(xù)流二極管回送到變頻器的直流回路中，此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)。這時(shí)，如果變頻器未采取消耗能量的措施，這部分能量將導(dǎo)致中間回路的儲(chǔ)能電容器的電壓上升。對(duì)于架空乘人裝置這類提升機(jī)設(shè)備，這部分能量還可能對(duì)變頻器造成損壞，因而要對(duì)產(chǎn)生的這部分再生能量進(jìn)行處理。使用這種新型的四象限變頻器可以將產(chǎn)生的再生電能回饋到電網(wǎng)，稱之為回饋制動(dòng)。四象限變頻器工作原理:以電機(jī)輸出力矩T 為橫軸，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n 為縱軸，構(gòu)成坐標(biāo)軸見圖1。需注意的是在該坐標(biāo)軸中力矩及轉(zhuǎn)速均有符號(hào)，例如:+450 r 表示電機(jī)以450 轉(zhuǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而-450 r 表示電機(jī)以450 轉(zhuǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 電機(jī)輸出力矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系示意圖

由圖1 可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速n 與力矩T 符號(hào)相同時(shí)，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，即Ⅰ象限和Ⅲ象限;當(dāng)轉(zhuǎn)速n 與力矩T 符號(hào)相反時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，即Ⅱ象限和Ⅳ象限。四象限變頻器能夠長(zhǎng)期驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在任意象限。以提升機(jī)應(yīng)用為例，當(dāng)提升重物時(shí)，四象限變頻器拖動(dòng)電機(jī)克服重力作功，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)下放重物時(shí)，逆變側(cè)產(chǎn)生勵(lì)磁電流，重力牽引電機(jī)發(fā)電，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能通過整流側(cè)回饋的電網(wǎng)。四象限變頻器的電路原理圖見圖2。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)的時(shí)候，電機(jī)產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的二極管回饋到直流母線，當(dāng)直流母線電壓超過一定的值，整流側(cè)能量回饋控制部分啟動(dòng)，將直流逆變成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能的效果。此時(shí)能量由電機(jī)通過逆變側(cè)、整流側(cè)流向電網(wǎng)。變頻器工作在Ⅱ、Ⅳ象限。輸入電抗器的主要作用是電流濾波?；仞侂娏骱碗娋W(wǎng)電壓波形見圖3。

圖2 四象限變頻器的電路原理圖

圖3 回饋電流和電網(wǎng)電壓波形圖

3)實(shí)施效果。

a)主井架空乘人裝置在裝設(shè)該交流變頻裝置后，原先的能耗型電阻箱已經(jīng)拆除，設(shè)備不再有發(fā)熱過大的困擾，也沒再出現(xiàn)因?yàn)樵O(shè)備溫升過高而產(chǎn)生的故障停機(jī)現(xiàn)象，整個(gè)設(shè)備比以前運(yùn)行得更加平穩(wěn)可靠。

b)由于能量回饋型交流變頻調(diào)速裝置的引入，使得主井架空乘人裝置的能耗降低，并且為該礦節(jié)省了大量的電能，提高了電能的利用率。

c)由于該變頻設(shè)備中加入了電流濾波電抗器，從而有效消除了電網(wǎng)的諧波污染，提高了供電的穩(wěn)定性。

3 變頻設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)

1)新型的變頻設(shè)備具有能量回饋?zhàn)饔?，有別于以往通用的變頻設(shè)備，節(jié)省了電能。

2)變頻器結(jié)構(gòu)合理，采用模塊化的安裝方式，方便現(xiàn)場(chǎng)維修。接線腔分為強(qiáng)電接線腔及弱電接線腔，方便現(xiàn)場(chǎng)接線及檢修。

3)變頻器可裝配功率平衡模塊，通過變頻器自身控制實(shí)現(xiàn)多機(jī)主從功率平衡，無需外接控制單元?？煽啃院?，調(diào)節(jié)精度高。主從機(jī)通過通訊方式連接，響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于模擬量控制方式。

4)變頻器接口充足，可拓展功能豐富。

5)變頻器對(duì)外干擾小，不會(huì)影響其他設(shè)備正常運(yùn)行。

6)熱管強(qiáng)制風(fēng)冷的變頻器風(fēng)道設(shè)計(jì)合理，各組散熱片風(fēng)量均勻，噪音小。

4 社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益

交流變頻器在主井架空乘人裝置上的應(yīng)用，改善了架空乘人裝置啟動(dòng)、制動(dòng)的平穩(wěn)性，減少了設(shè)備的維護(hù)量，降低了運(yùn)行費(fèi)用，特別是將能量回饋?zhàn)饔迷O(shè)計(jì)到該變頻系統(tǒng)中后，節(jié)能效果顯著，為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的電能，提高了經(jīng)濟(jì)效益，并且保證了架空乘人裝置的安全運(yùn)行，具有良好的社會(huì)效益。