覃樹強
(山西煤炭運銷集團晉城有限公司,山西晉城 048026)
煤礦井下有較多的機電設(shè)備,并且各個設(shè)備較為集中,再由于礦井內(nèi)巷道的空間較為狹窄、充斥著各種易爆炸的氣體、供電體系與地不相接等,導(dǎo)致電氣環(huán)境過于復(fù)雜。近些年來,隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,機電設(shè)施也日益完善,在礦井下的各個設(shè)備都開始運用變頻技術(shù)及以太網(wǎng)等各類先進技術(shù),這就對電磁的兼容性提出了更高的要求?;诖?,確保礦井下各個系統(tǒng)不會因電磁干擾而受到破壞,如監(jiān)測系統(tǒng)、通信體系及機電設(shè)備的自動化控制體系等,促使煤礦生產(chǎn)具備較強的安全性、高效性[1]。煤礦綜采工作面存在較多大功率的機電設(shè)備,如采煤設(shè)備、轉(zhuǎn)載設(shè)備、破碎設(shè)備等,對于礦井而言,電磁環(huán)境始終是其研究的核心,而采煤機是產(chǎn)生電磁干擾的關(guān)鍵來源,因此,對于采煤機所具備的電磁兼容性,必須進行深入研究。此外,在采煤機的牽引電機中安裝變頻器是否會影響工作面的電機燒毀事故,該問題也需要進行深入研究。本文選擇電牽引采煤機來開展研究。
綜采工作面所使用的電量是通過采區(qū)變電所所提供,其電力的傳輸主要是移動變電站,其構(gòu)成設(shè)備主要有隔爆型移動變壓器、隔爆型高壓開關(guān)、隔爆型低壓饋電開關(guān)[2]。該電壓為1 140 V,有些采煤機所運用的電力為3 300 V和1 140 V相混合的形式。
在綜采工作面中,其最重要的設(shè)備就是采煤機。該設(shè)備構(gòu)成部分主要為牽引部、電氣體系、輔助裝備等,安裝有機載的變壓器,分別有2臺牽引電機、截割電機及牽引變頻器,還有1臺油泵電機(完成滾筒的上升及降低),是導(dǎo)致工作面產(chǎn)生干擾的主要來源。截割單元的作用是承載割煤階段所出現(xiàn)的負載及沖擊負荷,需要損耗較大的功率。牽引部分的作用是對采煤機的運行方向加以維持,其類型主要包括電、液壓及機械3種牽引?,F(xiàn)階段,變頻調(diào)速控制裝置在采煤機的牽引部分已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[3]。圖1所示為采煤機機載裝置的設(shè)置圖。
(1)刮板輸送機。該設(shè)備所發(fā)揮的作用是承載工作面的運輸,同時它還作為一個支點來推動液壓支架的移動。由于該設(shè)備具有相應(yīng)的特殊性,必須進行反復(fù)開啟及停止,處于重載的狀況下,啟動該設(shè)備將會形成較大的沖擊電流,進而造成電磁干擾的產(chǎn)生。
圖1 采煤機機載裝置的設(shè)置圖
(2)破碎機與轉(zhuǎn)載機。前者主要用來粉碎較大的煤塊,有助于皮帶運輸,大多安裝在轉(zhuǎn)載機的后方;后者主要是將皮帶與刮板輸送機進行連接,其作用是對煤炭進行運輸及轉(zhuǎn)載,安裝于工作面的運輸順槽中。
(3)帶式輸送機。在礦井的煤炭運輸中,該設(shè)備有著極其關(guān)鍵的作用,由于其具備較大功率的電機驅(qū)動,并且運用了有效的變頻調(diào)速機制,以實現(xiàn)調(diào)速工作,進而導(dǎo)致電磁干擾的產(chǎn)生。
(4)乳化液和噴霧的泵站[4]。前者作用在于為支架供液,促使支護設(shè)備的作用得以充分實現(xiàn);后者是為采煤機的噴霧泵提供水源,促使采煤機完成內(nèi)外噴霧。
(5)無線通信體系。
對于電磁而言,諧波是其產(chǎn)生干擾的關(guān)鍵來源。
根據(jù)我國的相關(guān)標準,電磁兼容性的涵義為:在該電磁環(huán)境下,設(shè)備或者系統(tǒng)可進行正常的運行,且不會對其他的事物造成電磁干擾的能力團。其本質(zhì)在于產(chǎn)生干擾的來源所發(fā)射出的電磁能量,運用有效的渠道將其傳輸至敏感裝置中[5]。
諧波的產(chǎn)生主要是因機電設(shè)備及負載工作的特征所決定,其產(chǎn)生的關(guān)鍵途徑為傳統(tǒng)的設(shè)備,如電力變壓器等,及現(xiàn)代化的電力變流裝置,例如逆變器等設(shè)備。其產(chǎn)生的因素主要由于以下幾點:(1)變壓器,該設(shè)備所具有的性能對電流波產(chǎn)生了一定的影響,導(dǎo)致其變化出現(xiàn)畸形狀況,而諧波的狀況隨著供電電壓的提升而越來越嚴重[6];(2)電機,在該設(shè)備中,轉(zhuǎn)子與定子的線槽不具備對稱性,進而導(dǎo)致電機的相關(guān)裝置產(chǎn)生了諧波;(3)電力電子設(shè)施在進行變流的過程中,使用PWM會導(dǎo)致諧波的出現(xiàn)。
隨著諧波的產(chǎn)生,其負載溫度將會持續(xù)增加,導(dǎo)致設(shè)備損壞的速度加快,使有效阻值得以增加,進而使通電裝置的功率及電能的損耗不斷增加。諧波的存在會導(dǎo)致保護裝置的動作產(chǎn)生錯誤。目前。在變頻器中大多采取通信線纜的方式來連接相應(yīng)的通信裝置,其輸出的訊號為通信領(lǐng)域的專用,尤其是諧波會對保護動作的信號產(chǎn)生干擾。由于受到諧波的影響,保護裝置也受到了極大的損壞,甚至?xí)a(chǎn)生相應(yīng)的電力事故。由于諧波的存在對輸入側(cè)電網(wǎng)造成了一定的影響,導(dǎo)致其供電質(zhì)量持續(xù)下滑,對其正常運行造成了極大的阻礙;同時輸出側(cè)的用電設(shè)備也損耗了較多的能量,導(dǎo)致設(shè)備的使用壽命不斷降低[7]。
變頻器會產(chǎn)生較多的干擾,其整流及逆變的部分將會出現(xiàn)較多的諧波分量。在這兩個部分中含有較多的電力電子部件,在高頻率的背景下,這些部件可以對電力的連通與斷開進行控制,從而對壓力及頻率進行有效地調(diào)節(jié),在該過程中會不斷產(chǎn)生高頻脈沖信號。這就是導(dǎo)致該變頻體系產(chǎn)生諧波的主要因素,如圖2所示。
圖2 變頻器典型拓撲結(jié)構(gòu)圖
對采煤機變頻體系所產(chǎn)生的諧波進行治理的時候,可基于下列兩點內(nèi)容出發(fā):(1)通過將相關(guān)的配套設(shè)備進行完善,降低自動化控制體系所產(chǎn)生的諧波,將電抗器或者濾波器安裝于變頻器中,以此對波形進行吸收改善;(2)關(guān)注變頻器與工頻的設(shè)置及連接狀況,降低其所產(chǎn)生的干擾[8]。
目前,除了采煤機安裝了變頻牽引之外,其他的設(shè)備也相繼配置了變頻器,因此對于配置有多組變頻器的綜采工作面而言,必須對其所包含的設(shè)備進行改進與優(yōu)化。
通過對綜采工作面的配套設(shè)備進行總結(jié),對產(chǎn)生諧波的來源及其機理進行深入的研究。針對諧波所造成的危害,從改進變頻器的配套設(shè)備、在變頻器內(nèi)安裝電抗器等各個方面出發(fā)提出有效的策略來管理牽引體系的諧波。