李曉林
(神華神東煤炭集團(tuán) 機(jī)電管理部,陜西 榆林 719315)
在經(jīng)濟(jì)全球化的影響下,社會(huì)對(duì)能源的需求也隨之增加,能源的過(guò)度開(kāi)采、能源的浪費(fèi)使用及對(duì)于能源的分配和使用效率較低的現(xiàn)狀受到我國(guó)政府的高度重視。煤炭行業(yè)作為能源的主要的支柱,也存在這同樣的問(wèn)題。眾所周知,煤炭行業(yè)的耗電量極大,用電成本占據(jù)了其開(kāi)采成本的很大比例,隨著煤炭行業(yè)生產(chǎn)力的不斷加大,煤礦逐漸向大型化、規(guī)模化方向發(fā)展,其生產(chǎn)設(shè)備也變得自動(dòng)化,大功率化,部分設(shè)備的使用功率也逐漸提升到1140V、3300V甚至更大。生產(chǎn)設(shè)備對(duì)電能的需求越大意味著會(huì)有很大部分的電能會(huì)被浪費(fèi),這樣大大的提升了煤炭的生產(chǎn)成本,節(jié)約電能已經(jīng)成為煤炭行業(yè)需要解決的重要問(wèn)題。大功率的變頻器的使用很好的解決了現(xiàn)有的問(wèn)題,很大程度上解決了電能的浪費(fèi)問(wèn)題。在煤礦中的通風(fēng)機(jī)、膠帶機(jī)、主提升機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備上用用變頻器,都會(huì)提高設(shè)備性能,改善工作條件,提高使用效率。隨著我國(guó)科技的不斷進(jìn)步,利用大功率變頻器能夠改造煤炭行業(yè)、減少生產(chǎn)成本、創(chuàng)造效益,由于大功率變頻器的對(duì)煤炭行業(yè)的特殊作用,使得變頻器已經(jīng)被各大煤礦廣泛的應(yīng)用。
變頻器是利用電子器件的接通與斷開(kāi)的作用,將工作電能頻率變換為特定的使用頻率的裝置。大功率變頻器主要控制器、冷卻器和處理器等組成??刂破髦饕ㄖ麟娐泛椭麟娐?,主電路包括整流器、濾波回路、逆變器和制動(dòng)單元,整流器的功能是把工頻電壓變換為直流電壓,其功率的傳送是不可逆的,也就是說(shuō)只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的變化,不能將直流電源變化為工頻電源;濾波回路的功能是抑制整流器和逆變器中的直流電壓產(chǎn)生波動(dòng);逆變器的作用與整流器相反,其功能是在在一定時(shí)間范圍內(nèi),將控制開(kāi)關(guān)有規(guī)律的開(kāi)啟和關(guān)閉,將現(xiàn)有的直流功率轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)設(shè)備所需的交流輸出功率;異步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)有再生能量的產(chǎn)生,制動(dòng)單元的功能是消耗額外的多余功率,避免回路電壓指數(shù)超過(guò)最大值。變頻器的中的器件工作效率都是在一定溫度內(nèi)的達(dá)到最佳效果,冷卻器的功能是防止變頻器內(nèi)溫度過(guò)高,降低工作溫度。
隨著我國(guó)各行業(yè)對(duì)大功率變頻器的廣泛使用,市場(chǎng)上也銷(xiāo)售著各種不同形式的變頻器。根據(jù)不同的性能可以分為不同的變頻器,根據(jù)輸出電壓的不同可以分為低壓變頻器、中壓變頻器和高壓變頻器,輸出電壓在1-500V為低壓變頻器,輸出電壓在500-10000V為中壓變頻器,輸出電壓在10000V以上的為高壓變頻器。根據(jù)電路形式可分為雙交型變頻器和交變交型變頻器,雙交變頻器的特點(diǎn)是效率高,電壓做得很高,且容量大,但這種變頻器輸出頻率較低;交變交變頻器主電路部分主要包括交流輸入整流、平滑濾波和三相逆變電路三部分,在整流與逆變之間采用大電感作為中間直接濾波環(huán)節(jié),組成電流源型變頻器,在大型煤炭行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。
隨著我國(guó)煤炭能源的需求增加,對(duì)煤礦的開(kāi)采也逐漸加大,目前,我國(guó)的大小煤礦有兩萬(wàn)多個(gè),其中國(guó)有的大型煤礦有五千多個(gè),大部分煤礦是在建國(guó)初期就已經(jīng)開(kāi)采,生產(chǎn)設(shè)備相對(duì)落后,設(shè)備運(yùn)行時(shí)的耗電量太大,而且有部分電量都被浪費(fèi)。由于煤礦的的建設(shè)時(shí)的工藝要求差異與煤礦的開(kāi)采量范圍較廣,使得生產(chǎn)設(shè)備長(zhǎng)期低負(fù)載、低效率工作。在煤礦行業(yè)中許多設(shè)備都需要大功率的變頻器,以此調(diào)整啟動(dòng)電流、減小電能消耗,提高生產(chǎn)效率,增加設(shè)備的使用壽命,比如初期煤炭開(kāi)采中使用的通風(fēng)機(jī),通風(fēng)機(jī)總是被調(diào)整到使用的最大風(fēng)力和風(fēng)量,以達(dá)到最大距離的使用,而這樣很大程度浪費(fèi)電能成為普遍現(xiàn)象,而使用大功率變頻器后,根據(jù)不同的使用距離,通過(guò)變頻調(diào)速調(diào)整到相應(yīng)的風(fēng)力和風(fēng)向。由此可以看出,大功率變頻器避免了煤礦行業(yè)的電能浪費(fèi),減少生產(chǎn)成本。另外變頻器還大量應(yīng)用于膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng),目前使用的500kW變頻器用于控制膠帶機(jī)啟動(dòng)已趨于成熟,1000kW及以上變頻器也逐步開(kāi)始應(yīng)用。應(yīng)用在刮板運(yùn)輸機(jī)上的變頻器、電機(jī)一體機(jī)容量已達(dá)到1200kW,實(shí)現(xiàn)了刮板機(jī)的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速。
煤礦中的生產(chǎn)設(shè)備可分為固定設(shè)備、采掘設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備等。固定設(shè)備由通風(fēng)機(jī)、排水泵和礦井提升機(jī)等組成;采掘設(shè)備由采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、液壓支架、泵站、連采機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、掘錨機(jī)及后配套設(shè)備等組成;運(yùn)輸設(shè)備由膠帶機(jī)、破碎機(jī)、防爆車(chē)輛、特種車(chē)輛等設(shè)備組成。隨著煤炭行業(yè)的改造,其對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求也逐漸加大,要求生產(chǎn)設(shè)備工作穩(wěn)定性強(qiáng)、能自主節(jié)約能源、便于維護(hù)與維修等,大功率變頻器應(yīng)用在煤炭設(shè)備中具有許多優(yōu)勢(shì)。
主通風(fēng)機(jī)是煤礦開(kāi)采中重要的安全設(shè)備,它負(fù)責(zé)開(kāi)采過(guò)程中的通風(fēng)工作,是所有開(kāi)采工作人員和煤礦安全的綜合保障,對(duì)高瓦斯礦井尤為重要。隨著煤礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能的提高,許多大型煤礦的年產(chǎn)量達(dá)到1000萬(wàn)噸以上,主通風(fēng)機(jī)容量達(dá)到500kW以上,但主通風(fēng)機(jī)采用直接啟動(dòng)方式,這種啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)裝置簡(jiǎn)便、設(shè)備成本較低,但是這種啟動(dòng)方式將會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成巨大電流沖擊,嚴(yán)重破壞了礦井供電安全性能。這種啟動(dòng)方式,主通風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流并不是線性的,通常啟動(dòng)電流是額定電流的4-7倍,若頻繁啟動(dòng)對(duì)電機(jī)傷害較大,在通風(fēng)阻力復(fù)核較大情況下易發(fā)生堵轉(zhuǎn)情況,且常常會(huì)受到自然變化和電網(wǎng)波動(dòng)的影響,抗干擾能力很弱,不能滿(mǎn)足現(xiàn)在生產(chǎn)的需求。通風(fēng)機(jī)的控制電路并不是閉環(huán)控制,不能自動(dòng)的完成風(fēng)力和風(fēng)向的調(diào)節(jié),無(wú)法保證地下開(kāi)采通風(fēng)的穩(wěn)定行,造成了嚴(yán)重的電能浪費(fèi)。與此同時(shí),為了工作人員與礦井的安全,通風(fēng)機(jī)始終保持大功率工作狀態(tài),這樣增大了通風(fēng)機(jī)的機(jī)械磨損、減少了通風(fēng)機(jī)的使用壽命、大大的降低了運(yùn)行和工作效率。隨著煤炭開(kāi)采范圍不斷增加、煤炭巖層的不斷延伸,風(fēng)量和風(fēng)壓需求增加,必須通過(guò)調(diào)整風(fēng)葉角度來(lái)調(diào)節(jié),調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng),期間造成單風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),對(duì)煤礦通風(fēng)安全帶來(lái)隱患,且按照風(fēng)葉刻度調(diào)整對(duì)風(fēng)量、負(fù)壓不易掌握,不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的使用要求。大功率變頻器在通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用使得面臨的問(wèn)題得到有效的解決,具體的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在:
(1)提高了礦產(chǎn)與人員的安全性。主通風(fēng)機(jī)利用變頻器的變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng),使通風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)電流位于線性工作狀態(tài),避免了由于通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的瞬間高強(qiáng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊,很大程度上提高使用的安全性,為工作人員與煤礦提供了有力的安全保障。
(2)變頻節(jié)能,減少生產(chǎn)成本。變頻器應(yīng)用于主通風(fēng)機(jī)后,工作人員可以根據(jù)不同的季節(jié)、不同的工作距離,調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)力、風(fēng)壓,大大的提高了電能的使用效率。同時(shí),避免了通風(fēng)機(jī)一直大功率工作狀態(tài),節(jié)約了電能,減少了生產(chǎn)成本,提高了經(jīng)濟(jì)效益。
(3)提高了設(shè)備的穩(wěn)定性。通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造后,減少了電能的損耗、降低了電機(jī)啟動(dòng)電流沖擊,避免了通風(fēng)機(jī)的超負(fù)荷工作,大大的降低了通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的機(jī)械磨損,降低通風(fēng)機(jī)的維修費(fèi)用,增加了通風(fēng)機(jī)的設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命。
膠帶運(yùn)輸機(jī)是煤炭運(yùn)輸中重要的設(shè)備之一,其負(fù)責(zé)煤炭從地下向地上的運(yùn)輸,膠帶機(jī)的工作效率極大的影響著煤炭的生產(chǎn)效率。目前的煤炭行業(yè)中,膠帶運(yùn)輸機(jī)的啟動(dòng)方式有直接啟動(dòng)、液力偶合啟動(dòng)、交流變頻啟動(dòng)等多種方式,由于膠帶運(yùn)輸機(jī)的皮帶是一個(gè)彈性體,其內(nèi)部?jī)?chǔ)存很大的彈性勢(shì)能,如果采用直接啟動(dòng)的方式,皮帶內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量會(huì)隨著皮帶的張力很快釋放出去,如此大的能量會(huì)對(duì)運(yùn)輸機(jī)的機(jī)架和傳動(dòng)系統(tǒng)造成很大的振動(dòng)和破壞,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生斷帶、驅(qū)動(dòng)滾筒與帶面打滑冒煙等事故。利用液力偶合器雖然能解決運(yùn)輸機(jī)軟啟動(dòng)的難題,但是液力偶合啟動(dòng)時(shí),耦合器內(nèi)部液體參與摩擦,造成耦合器內(nèi)部高溫,頻繁啟動(dòng)易造成易融片融化,且對(duì)液體介質(zhì)的清潔度要求較高。目前在膠帶機(jī)上廣泛使用的CST也類(lèi)似此。另外對(duì)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的膠帶機(jī),液力耦合器或CST對(duì)于扭矩的分配不容易實(shí)現(xiàn),無(wú)法做到功率平衡,影響設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。將大功率變頻器應(yīng)用到膠帶運(yùn)輸機(jī)中,會(huì)很好的解決目前存在的許多問(wèn)題,在神東公司已將變頻器成功應(yīng)用于連采膠帶機(jī),使160kW變頻雙驅(qū)動(dòng)膠帶機(jī)鋪設(shè)長(zhǎng)度達(dá)到了3200米,并成功在主運(yùn)輸系統(tǒng)上應(yīng)用了1000kW的大功率變頻器,拉運(yùn)長(zhǎng)度達(dá)到7000米以上。變頻驅(qū)動(dòng)膠帶機(jī)的具體的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)于:
(1)加強(qiáng)膠帶運(yùn)輸機(jī)設(shè)備的可靠性。大功率變頻器的應(yīng)用真正的實(shí)現(xiàn)了膠帶運(yùn)輸機(jī)的軟啟動(dòng),電機(jī)的低速運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)皮帶緩慢啟動(dòng),避免了皮帶內(nèi)部能量的快速釋放,使皮帶產(chǎn)生的張力很小,對(duì)皮帶造成很小的傷害,延長(zhǎng)了皮帶的使用壽命。而且軟啟動(dòng)會(huì)減小電流的沖擊,很大程度上增加了膠帶運(yùn)輸機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。
(2)加大了對(duì)膠帶運(yùn)輸機(jī)的功率分配。隨著煤炭開(kāi)采不斷加深。在煤炭的運(yùn)輸中的功率也不斷加大,變頻器的應(yīng)用很好的解決了多電機(jī)的使用功率分配,很好的實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸機(jī)的同步性。通過(guò)改變變頻器之間的速度來(lái)調(diào)整電機(jī)之間的電流差值的大小,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的功率分配。
(3)節(jié)約能量,避免浪費(fèi),提高效益。通過(guò)大功率變頻器對(duì)膠帶運(yùn)輸機(jī)的電機(jī)自動(dòng)調(diào)速,合理的電機(jī)功率分配,避免了過(guò)多的電能消耗;對(duì)電機(jī)的軟啟動(dòng),減少了皮帶的損耗,降低了設(shè)備的維修費(fèi)用,從根本上節(jié)約能量,減少了生產(chǎn)成本,提高了煤礦行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
提升機(jī)是地下采礦和地上操作的連接紐帶,其主要功能是完成工作人員、生產(chǎn)設(shè)備、工作材料和礦產(chǎn)的上下運(yùn)送,提升機(jī)的良好工作對(duì)煤礦生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。由于煤礦中的提升機(jī)的控制系統(tǒng)相對(duì)落后,控制精度比較差,在加減速階段的速度控制性能不好,特別在負(fù)重變動(dòng)時(shí)很難完成持續(xù)減速操作,經(jīng)常會(huì)有意外事故的發(fā)生,提升機(jī)頻繁的工作過(guò)程會(huì)使調(diào)速設(shè)備有嚴(yán)重的消耗,提升機(jī)內(nèi)部器械容易損壞,提高了維護(hù)費(fèi)用。使用變頻器后的提升機(jī)解決了這些問(wèn)題,主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在:
(1)提高了提升機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度。變頻器內(nèi)部采用矢量閉環(huán)控制,控制精度高,能很好控制提升機(jī)的加減速過(guò)程,方便地控制機(jī)械傳動(dòng)的正向、反向和變速運(yùn)行,避免了過(guò)卷和過(guò)放事故的發(fā)生。
(2)增強(qiáng)了提升機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性。提升機(jī)是以電極轉(zhuǎn)動(dòng),帶到鋼絲繩在礦井中上下運(yùn)動(dòng),完成輸送任務(wù)。提升機(jī)安裝變頻器后使得設(shè)備機(jī)械性硬,啟動(dòng)力矩較大,滿(mǎn)足重載啟動(dòng)的要求,避免鋼絲繩的斷裂,從而增強(qiáng)了設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性。
刮板運(yùn)輸機(jī)是綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備,其穩(wěn)定性決定著綜采工作面乃至全礦井的產(chǎn)量和效益,傳統(tǒng)刮板機(jī)均采用液力耦合器或CST軟啟動(dòng)。目前神東公司最大的刮板機(jī)是3*1600kW驅(qū)動(dòng),隨著刮板機(jī)功率的增加,使用液力耦合器或CST產(chǎn)生的摩擦熱量越來(lái)越大,故障率也曾上升趨勢(shì),至2009年以來(lái),陸續(xù)采購(gòu)3*1000kW變頻三機(jī)、3*1200kW變頻三機(jī)并將3*1600kW三機(jī)改造為變頻三機(jī),使用效果良好,變頻刮板機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于:
(1)變頻控制可調(diào)速運(yùn)行,調(diào)速范圍較液力耦合器或CST更大、更方便,在低運(yùn)量或空載時(shí)低速運(yùn)行可達(dá)到節(jié)能的目的,液力耦合器或CST在刮板機(jī)上只用作軟啟動(dòng),調(diào)速操作復(fù)雜不易行。
(2)液力耦合器或CST用液力傳動(dòng)或控制摩擦傳動(dòng),所以短時(shí)間內(nèi)頻繁啟動(dòng)可能導(dǎo)致高溫,變頻軟啟動(dòng)無(wú)機(jī)械摩擦,可在刮板機(jī)“壓死”時(shí)頻繁停車(chē)、啟動(dòng),可快速恢復(fù)生產(chǎn)。
(3)液力耦合器或CST雖然是“軟”連接,電動(dòng)機(jī)輸出功率可做到大致平衡,但實(shí)際上各驅(qū)動(dòng)鏈輪獲得的轉(zhuǎn)矩是有差別的,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,影響電機(jī)、聯(lián)軸器、鏈輪、鏈條等機(jī)械件的使用壽命,變頻器可做到啟動(dòng)扭力平衡,運(yùn)行功率平衡,實(shí)現(xiàn)電流、速度的閉環(huán)控制,不會(huì)出現(xiàn)連接齒套與輸入、輸出軸端“刷圈”,有效避免斷鏈?zhǔn)鹿拾l(fā)生。
(4)變頻驅(qū)動(dòng)后期運(yùn)行和維護(hù)成本低,CST需要定期化驗(yàn)液壓油,并更換液壓油,離合器片也是易損件。
(5)變頻啟動(dòng)對(duì)電機(jī)沖擊小,啟動(dòng)電流小于電機(jī)額定電流,采用液力耦合器或CST軟啟動(dòng)瞬時(shí)電機(jī)電流約為額定電流的5-7倍。
隨著科研技術(shù)水平的提高,煤炭生產(chǎn)中對(duì)大功率變頻器的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛,取得很大的進(jìn)步和良好的經(jīng)濟(jì)效益,但仍存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題:
(1)在煤炭開(kāi)采中,礦下的環(huán)境是潮濕、陰暗、多煤塵的,在主進(jìn)風(fēng)巷道中應(yīng)用的變頻器都為礦用一般型,防潮、防爆等級(jí)不夠,這很大程度影響了生產(chǎn)的安全性。變頻器長(zhǎng)期處于潮濕、多塵的環(huán)境中,嚴(yán)重影響變頻器的使用性能。在井下其他巷道中的變頻器雖然使用了礦用隔爆型,但是由于隔爆箱體的應(yīng)用,導(dǎo)致變頻器散熱能力較差,易出現(xiàn)高溫老化,影響使用壽面。
(2)在煤炭生產(chǎn)中,交-直-交型主電路的變頻器應(yīng)用最為廣泛,在電動(dòng)機(jī)中定子繞組中有電感,而電感有持流作用,這就決定著在大功率變頻器工作過(guò)程中,會(huì)對(duì)其他的生產(chǎn)設(shè)備有一定的電磁干擾。并產(chǎn)生諧波污染反饋到電網(wǎng),這會(huì)對(duì)煤礦供電質(zhì)量和用電設(shè)備安全帶來(lái)很大的影響,有效措施有待于進(jìn)一步探索。
(3)我國(guó)的變頻技術(shù)已經(jīng)取得十足的進(jìn)步,但是在壓變頻器的技術(shù)性能、可靠性、穩(wěn)定性和控制技術(shù)等方面與國(guó)外技術(shù)還有一定的差距,核心器件如IGBT等在我國(guó)并沒(méi)有形成統(tǒng)一的生產(chǎn)線,所以大功率變頻器的價(jià)格較高。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)逐漸建設(shè)節(jié)約環(huán)保型社會(huì),人們也開(kāi)始更多地關(guān)注生態(tài)環(huán)境的變化,大功率變頻器擁有較好的節(jié)能效果已經(jīng)應(yīng)用到礦產(chǎn)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè),有著廣泛的應(yīng)用前景,但是我國(guó)生產(chǎn)的大功率變頻器與國(guó)外相比仍有一定的差距,我國(guó)大功率變頻器的發(fā)展方向大致表現(xiàn)在以下幾方面:
(1)努力更新變頻器的控制電路,使控制電路逐步走向智能化、自動(dòng)化和模塊化,使電路的內(nèi)部器件損耗減小,提高整體使用性能,而且會(huì)有很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗過(guò)載能力。
(2)將變頻器配置系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化,這樣可以提高控制精度,也能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制,網(wǎng)絡(luò)化可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)變頻器的內(nèi)部故障,觀察其內(nèi)部的性能參數(shù)。在工作環(huán)境惡劣或者無(wú)人值守的工況中,可以隨時(shí)完成變頻器的故障診斷和分析。
(3)目前我國(guó)的變頻器并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)化和規(guī)?;a(chǎn),尤其核心器件IGBT仍然依賴(lài)進(jìn)口,沒(méi)有較好的電子配套行業(yè)。從而導(dǎo)致我國(guó)大功率變頻器設(shè)備價(jià)格較高,應(yīng)用效果不好,要通過(guò)自我創(chuàng)新,系統(tǒng)化、規(guī)模化的生產(chǎn)出適合我國(guó)各行業(yè)使用的變頻器。
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