李 軍申生太董淑棠顧潮青

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

?

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(tuán)永定莊煤業(yè)公司,山西省大同市,037024; 2.潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司漳村煤礦,山西省長(zhǎng)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(yùn)行中存在的問(wèn)題,研究了當(dāng)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(wèn)題及采取的措施,針對(duì)不同礦用設(shè)備應(yīng)該根據(jù)使用對(duì)象和工況特點(diǎn)進(jìn)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(dòng)電機(jī)的功率越來(lái)越大,電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)會(huì)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(yùn)行,頻繁啟動(dòng)時(shí)極易燒毀電氣元件,降低電機(jī)壽命,影響正常生產(chǎn);礦用各種設(shè)備在停車(chē)時(shí),傳動(dòng)系統(tǒng)的各處都存在著大小不等的間隙,在啟動(dòng)時(shí)如果傳動(dòng)系統(tǒng)尚未張緊之前就施加大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng),就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械沖擊,會(huì)引發(fā)斷裂、剪切損壞和加劇磨損等一系列機(jī)械故障;礦用輸送設(shè)備由于受到運(yùn)輸系統(tǒng)、地質(zhì)條件和其它設(shè)備聯(lián)動(dòng)等諸多因素的影響,存在停車(chē)的隨機(jī)性,再次啟動(dòng)時(shí)多為重載啟動(dòng),存在難以啟動(dòng)的問(wèn)題;礦用設(shè)備的拖動(dòng)多數(shù)配置為大馬拉小車(chē),存在功率富裕量大、系統(tǒng)效率低以及無(wú)效損耗大等問(wèn)題,多機(jī)拖動(dòng)時(shí)又存在功率不平衡等問(wèn)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(guó)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(jī)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(diǎn),在煤礦井下的絞車(chē)、提升機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、增壓泵、采煤機(jī)牽引以及乳化液泵等負(fù)載的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(wèn)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(dá)到預(yù)期效果提供了技術(shù)支持,對(duì)合理使用礦用變頻設(shè)備具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

2　變頻調(diào)速控制技術(shù)及適應(yīng)性分析

2.1標(biāo)量控制技術(shù)及適應(yīng)性

標(biāo)量控制(V/F控制)是一種較為簡(jiǎn)單的變頻控制技術(shù),基本原理是在調(diào)頻過(guò)程中對(duì)給定變化的電壓進(jìn)行控制,解決變頻的同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)變壓,稱(chēng)為VVVF,較為典型的是線性和平方標(biāo)量控制.標(biāo)量控制通過(guò)定子電壓、電流和頻率來(lái)間接控制電機(jī)的磁場(chǎng)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(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí),與電機(jī)的實(shí)際狀態(tài)不符,不適用于動(dòng)態(tài)過(guò)程的控制,所以標(biāo)量控制技術(shù)常用于風(fēng)機(jī)和水泵等負(fù)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(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量,根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制,達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的.具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(勵(lì)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(shí)控制兩分量間的幅值和相位,即控制定子電流矢量,所以稱(chēng)這種控制方式稱(chēng)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(wú)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(wú)速度傳感器的矢量控制技術(shù)是當(dāng)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(dòng)機(jī)的銘牌參數(shù),按照轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式分別對(duì)作為基本控制量的勵(lì)磁電流(或者磁通)和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè),并通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓的頻率使勵(lì)磁電流(或者磁通)和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測(cè)值達(dá)到一致,并輸出轉(zhuǎn)矩,從而實(shí)現(xiàn)矢量控制.這樣就可以將1臺(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來(lái)控制,因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能.具有既可以控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,又可以控制轉(zhuǎn)矩的性能,適用于煤礦既要求準(zhǔn)確位置控制,又要求施力(或加速度)控制的場(chǎng)所,如礦用提升機(jī).

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(qiáng)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(jī)轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)獲得極高的響應(yīng)頻率,保證電機(jī)具有良好的速度和轉(zhuǎn)矩控制能力.目前,國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上只有ABB公司真正實(shí)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(shí)間在1～2 ms;帶編碼器的矢量控制和直流傳動(dòng)響應(yīng)時(shí)間在10～20 ms,開(kāi)環(huán)的標(biāo)量控制響應(yīng)時(shí)間大于100 ms.直接轉(zhuǎn)矩控制可以在沒(méi)有編碼器或測(cè)速傳感器等速度反饋的情況下,實(shí)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(dòng)場(chǎng)所,如刮板輸送機(jī)和大坡度帶式輸送機(jī).

3　各類(lèi)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(hào)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(guò)整流器變成脈動(dòng)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(dòng)異步電機(jī),實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速.

3.1.2 使用情況

變頻調(diào)速裝置無(wú)隔離換向開(kāi)關(guān)和輸出真空接觸器,設(shè)備使用時(shí)需配接饋電開(kāi)關(guān);電機(jī)或外部電纜出現(xiàn)故障時(shí),無(wú)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(shí)現(xiàn)功率平衡或多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制時(shí)需外加控制箱;一般沒(méi)有與集控或自動(dòng)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(hào)為BPJ,主要由隔離換向開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān),可實(shí)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(shí),輸出真空接觸器可以保護(hù)設(shè)備安全;開(kāi)關(guān)控制單元一般帶有簡(jiǎn)易的PLC功能,多機(jī)拖動(dòng)時(shí),可實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的功率平衡,還具有集控、遠(yuǎn)控/本控等操作功能.

3.2.2使用情況

礦用變頻器相對(duì)于變頻調(diào)速裝置的使用維護(hù)更為方便,保護(hù)更全面,不需要選配饋電開(kāi)關(guān),多機(jī)聯(lián)動(dòng)時(shí),自身可實(shí)現(xiàn)集中控制,并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控/本控操作;實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率平衡和在線無(wú)極調(diào)速.

3.3刮板輸送機(jī)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(jī)用隔爆兼本質(zhì)安全型交流變頻器,規(guī)定型號(hào)為BPJ1－400/1140G,是太原惠特科技有限公司根據(jù)刮板輸送機(jī)特殊使用情況而研制的;型號(hào)中的G代表刮板輸送機(jī)專(zhuān)用,其工作原理如圖3所示.

圖3　刮板輸送機(jī)用變頻器工作原理

由圖3可以看出,刮板輸送機(jī)用變頻器由隔離換向開(kāi)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(kāi)關(guān)控制單元構(gòu)成了完整的礦用變頻器,同時(shí)具備了相應(yīng)的功能;由隔離換向開(kāi)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(dòng)器回路,并具有相應(yīng)的功能,是礦用變頻器與磁力啟動(dòng)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(kuò)展性和通訊功能,可實(shí)現(xiàn)集控、遠(yuǎn)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(dòng);具有多電機(jī)的功率平衡功能,并能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)運(yùn)行電流差小于5％;具有根據(jù)刮板輸送機(jī)的工況,采煤機(jī)位置模糊控制功能,實(shí)現(xiàn)空載慢速、輕載低速、滿載全速的節(jié)能控制;不論負(fù)載大小,功率因素都保持在0.9以上,減少了無(wú)功損耗;具有大富裕量的配置,達(dá)到了1.5倍以上的過(guò)載能力可滿足刮板輸送機(jī)載荷劇烈波動(dòng)的工況要求;磁力啟動(dòng)器回路,可滿足刮板機(jī)頻繁點(diǎn)車(chē)和應(yīng)急使用.

3.3.2使用情況

刮板輸送機(jī)用變頻器適應(yīng)于刮板輸送機(jī)的控制,無(wú)需配接饋電開(kāi)關(guān),就可滿足刮板輸送機(jī)的集控、遠(yuǎn)控和本控等各種控制要求.在節(jié)能控制模式下運(yùn)行,還可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的,節(jié)能率達(dá)15％～20％,還可明顯減少機(jī)械磨損.

3.4其它專(zhuān)用變頻調(diào)速設(shè)備

在我國(guó)煤炭行業(yè)還專(zhuān)門(mén)為井下研制有局部通風(fēng)機(jī)用雙電源雙變頻器、乳化液泵站專(zhuān)用變頻控制系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)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(dá)到了預(yù)期效果.

4　關(guān)注的問(wèn)題及應(yīng)采取的對(duì)策

4.1關(guān)注的問(wèn)題

變頻調(diào)速設(shè)備在煤礦井下應(yīng)用日益廣泛的同時(shí),也帶來(lái)嚴(yán)重的干擾問(wèn)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(kāi)關(guān)作用的非線性元件組成的,工作時(shí)都會(huì)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(duì)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(jí)電磁啟動(dòng)器、饋電開(kāi)關(guān)、低壓保護(hù)箱等設(shè)備的誤動(dòng)作、控制系統(tǒng)誤報(bào)警、控制總線誤動(dòng)作等,甚至在變頻設(shè)備工作時(shí)其它系統(tǒng)設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)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(lèi)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(duì)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(duì)干擾信號(hào)的敏感性.一般通過(guò)以下手段解決電磁干擾的問(wèn)題:采用隔離變壓器隔離外界對(duì)變頻設(shè)備的干擾,又可以隔離變頻設(shè)備對(duì)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(wú)源濾波器(LC濾波器)目前還在應(yīng)用外,諧波抑制的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器,它串聯(lián)或并聯(lián)于主電路中,實(shí)時(shí)從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流,由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流大小相等且方向與之相反的補(bǔ)償電流,這樣使電網(wǎng)電流只含基波分量.這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和補(bǔ)償,且補(bǔ)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(guò)對(duì)設(shè)備和傳輸線進(jìn)行屏蔽、合理的布線以及可靠正確的接地來(lái)進(jìn)一步降低變頻設(shè)備帶來(lái)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(wú)隔離換向開(kāi)關(guān)、輸出真空接觸器和開(kāi)關(guān)控制單元,使用中必須另配輸入側(cè)饋電開(kāi)關(guān),否則在系統(tǒng)故障時(shí)無(wú)法切斷電源;需要多機(jī)拖動(dòng)的地方,必須配備集中控制系統(tǒng)使用,否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)集中控制及級(jí)聯(lián)、遠(yuǎn)控等操作功能,設(shè)備選型時(shí)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(kāi)關(guān)和輸出真空接觸器,可以取代原來(lái)的磁力啟動(dòng)器,實(shí)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(jī)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(dòng)器回路;內(nèi)部配置的過(guò)載能力更大達(dá)1.5倍以上;具有節(jié)能控制模式,可以滿足刮板機(jī)的重載難啟動(dòng)、負(fù)載突變和波動(dòng)頻繁的要求,在啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)15％～20％的節(jié)能效果;工頻回路可以滿足刮板輸送機(jī)的點(diǎn)動(dòng)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(duì)象進(jìn)行專(zhuān)用變頻設(shè)備選型.

參考文獻(xiàn):

[1]陳懷道.QJT250/1140(660)型調(diào)速啟動(dòng)器的研制及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2006(7)

[2]郭建軍,郭建廷.帶式輸送機(jī)多機(jī)拖動(dòng)功率平衡問(wèn)題的探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008(1)

[3]楊健康,郭建廷.3.3 k V供電的刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].中國(guó)煤炭,2011(7)

[4]顧潮青,吳奶明,王濤等.刮板輸送機(jī)用變頻器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2015(3)

[5]王東波,侯文桂,馬龍等.10(6)k V多回路高壓磁力啟動(dòng)器的研制與應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭,2015 (7)

[6]李太連.對(duì)煤礦安全高效綜采成套裝備研發(fā)的思考[J].中國(guó)煤炭,2007(6)

[7]李劍峰.隔爆變頻調(diào)速裝置在煤礦帶式輸送機(jī)的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2010(9)

(責(zé)任編輯 王雅琴)

★煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化★

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

中圖分類(lèi)號(hào)TD60

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A