王志軍
(山煤宏遠(yuǎn)煤業(yè)有限公司,山西晉中032600)
礦井提升機(jī)擔(dān)負(fù)著礦井設(shè)備人員和物料的運(yùn)輸任務(wù),在礦山生產(chǎn)中起著不可或缺的作用。提升機(jī)工作時(shí),提升速度分為三個(gè)階段,即加速、勻速、減速階段,其速度的變換是由電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)完成的。傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組回路通過(guò)接觸器串入電阻,在加速段逐級(jí)切除電阻,減速段再串入電阻減小轉(zhuǎn)子電流以達(dá)到減速目的。
隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,變頻調(diào)速技術(shù)日趨完善,以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的變頻調(diào)速也成為交流電機(jī)調(diào)速的一種趨勢(shì)[1]。交流電機(jī)變頻調(diào)速是當(dāng)今節(jié)約電能,改善生產(chǎn)工藝流程,提高產(chǎn)品質(zhì)量,以及改善運(yùn)行環(huán)境的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和啟制動(dòng)性能等諸多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外認(rèn)為最有前途的調(diào)速方式。筆者針對(duì)礦井提升機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能技術(shù)改造,介紹了傳統(tǒng)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的弊端,以及變頻調(diào)速的原理及選擇變頻器的原則,并分析了經(jīng)改造后的提升機(jī)的節(jié)能效果。
在交流變頻技術(shù)成熟之前,礦井提升機(jī)調(diào)速通常采用直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和交流異步繞線(xiàn)式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)。串電阻調(diào)速系統(tǒng)采用多級(jí)調(diào)速方法,通過(guò)合理的選擇電阻的級(jí)數(shù),可獲得較平穩(wěn)的啟動(dòng)和調(diào)速性能。但串電阻不可能采用無(wú)限多的級(jí)數(shù),因此提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的加速和減速過(guò)程是跳躍的,為有級(jí)調(diào)速。而且在調(diào)速過(guò)程中能量大多數(shù)消耗在了外串電阻的發(fā)熱上,浪費(fèi)電能,效率較低。另外,繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻后,使得電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟,導(dǎo)致低速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性變差。因此,當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中負(fù)載變化較大時(shí),該種調(diào)速方法性能較差。
根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式和同步轉(zhuǎn)速公式:
可知:只要改變異步電動(dòng)機(jī)定子供電電源的頻率f1,就可以改變同步轉(zhuǎn)速n1,從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n。變頻調(diào)速即是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組的供電電源頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的,其原理是把工頻交流(50 Hz)通過(guò)整流器變成平滑直流,然后利用半導(dǎo)體器件組成的三相逆變器,將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電,用于驅(qū)動(dòng)異步電機(jī),實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速[2-3]。
礦井提升機(jī)的調(diào)速過(guò)程是在基速(電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速)上向下調(diào)速,根據(jù)(1)式,須從基頻(50 Hz)向下調(diào)節(jié)頻率,以達(dá)到減速的目的。又根據(jù)電動(dòng)機(jī)定子相電壓公式:
式中,N1為單相繞組匝數(shù),kN1為繞組因數(shù),Φm為主磁通。
當(dāng)減小頻率的同時(shí)若不改變電壓,會(huì)使電動(dòng)機(jī)磁通Φm過(guò)飽和,導(dǎo)致很大的勵(lì)磁電流,嚴(yán)重時(shí)引起電動(dòng)機(jī)過(guò)熱而損壞電機(jī)。因此,調(diào)速過(guò)程中降低頻率的同時(shí)應(yīng)減小電源電壓,以保證調(diào)速過(guò)程中磁通不變。
選擇變頻器時(shí)應(yīng)以實(shí)際電動(dòng)機(jī)的電流值作為變頻器選擇的依據(jù),電機(jī)的額定功率只能作為參考。選擇時(shí)應(yīng)使變頻器的額定電流I≥Ie(Ie為電動(dòng)機(jī)的額定電流),同時(shí)應(yīng)使I≥1.1Imax(Imax為電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的最大電流)。在滿(mǎn)足電流的同時(shí)還應(yīng)考慮變頻器的輸出電壓和瞬時(shí)過(guò)載能否滿(mǎn)足電機(jī)的要求。另外,變頻器的輸出含有豐富的高次諧波,會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率。因此,用變頻器給電動(dòng)機(jī)供電時(shí),電動(dòng)機(jī)的電流會(huì)增加10%,溫升會(huì)增加20%左右。所以在選擇電動(dòng)機(jī)和變頻器時(shí),應(yīng)適當(dāng)留有余量,以防止溫升過(guò)高,影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。
原有的串電阻調(diào)速方式須采用交流接觸器切換電阻完成不同速段的轉(zhuǎn)換,接觸器和外串電阻每3 ~5 個(gè)月需更換一次,維修費(fèi)用大,耽誤生產(chǎn)。提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變頻改造后,電機(jī)在不同頻率下運(yùn)行的節(jié)能效果不同,變頻器在低速運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果顯著。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,提升機(jī)的加速段及減速段約為60 ~100 m,因此,其低速段占全程的35%左右,經(jīng)計(jì)算綜合節(jié)電率在25%左右。變頻改造后原系統(tǒng)的電阻和接觸器全部棄除不用,不但節(jié)省投資,也增加了可靠性。變頻調(diào)速過(guò)程中還可使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在回饋制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),再生電能可回收利用,節(jié)約更多的電能。
提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)變頻改造后,改善了提升機(jī)運(yùn)行的可靠性,增加了電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍,調(diào)速平滑性好,電機(jī)效率顯著提高,節(jié)約了部分電能,應(yīng)在礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
[1]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.
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