師進(jìn)昌

（云南銅業(yè)（集團(tuán)）有限公司技術(shù)中心礦山研究院，云南 昆明 650042）

有色金屬礦山井下環(huán)境普遍存在高溫、高濕、高粉塵、強(qiáng)振動(dòng)、電壓波動(dòng)大等情況，對(duì)于一般型通用變頻器很難承受這樣的工礦環(huán)境，損壞和故障較為嚴(yán)重。國(guó)家頒布關(guān)于礦用標(biāo)準(zhǔn)GBT12173-2008一般型電氣設(shè)備的要求規(guī)定，要求整體防護(hù)等級(jí)IP54以上，設(shè)備外殼能承受國(guó)標(biāo)GB3836.1-2000中規(guī)定的低能量沖擊，國(guó)家礦用標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定設(shè)備能承受環(huán)境溫度-20℃～+40℃，并在設(shè)備的明顯位置標(biāo)注永久性KY或KA標(biāo)志。目前，在有色金屬礦山使用的變頻器大都沒有KY或KA標(biāo)志，變頻器也不滿足以上國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB-T12173-2008規(guī)定，所以在礦井實(shí)際使用中，問題層出不窮，也屬在所難免。隨著國(guó)家對(duì)安全的越來越重視，強(qiáng)制要求使用帶礦安標(biāo)志產(chǎn)品的礦用變頻器在有色礦山使用，關(guān)于礦用變頻器在礦井環(huán)境下使用提出新的要求。本文針對(duì)有色金屬礦山的環(huán)境，研究非防爆礦變頻器的在應(yīng)用中的一些特點(diǎn)和未來的發(fā)展方向[1]。

1 非防爆礦用變頻器

1.1 防護(hù)等級(jí)與結(jié)構(gòu)

有色金屬礦山的井下巷道中，部分礦山局部環(huán)境溫度超過40℃，空氣濕度大，RH70%～98%，并存在水珠凝結(jié)現(xiàn)象，非防爆礦用變頻器整體防護(hù)等級(jí)在IP56以上，變頻器核心器件區(qū)和高防護(hù)機(jī)柜整一體化，獨(dú)立風(fēng)道散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，核心器件區(qū)與散熱風(fēng)道完全獨(dú)立，符合國(guó)家礦安標(biāo)準(zhǔn)要求，部分區(qū)域達(dá)到IP63。核心器件區(qū)有內(nèi)循環(huán)的風(fēng)扇，使密封腔的溫度均勻，避免個(gè)別元件溫度集中上升，影響使用壽命。配線區(qū)在變頻器的下方，與核心區(qū)完全隔離，控制線使用IP68的航空密封插頭，密封性能好。具體詳見圖1。

2 電源質(zhì)量與系統(tǒng)控制

2.1 電源質(zhì)量

隨著井下巷道不斷向下延伸，動(dòng)力電纜越來越長(zhǎng)，局部工況終端電壓下降嚴(yán)重，由于線路負(fù)載分配的不均衡，造成三相電壓不平衡情況發(fā)生，要求礦用變頻器輸入更加寬泛的電壓輸入，抗三相電壓失衡率高，礦用變頻器的輸入電壓范圍（AC280V～440V）；三相電壓失衡率＜8%，輸入頻率±10%，變頻器輸出電壓0V～380V，頻率0H～400HZ，能較好滿足有色金屬礦山井下現(xiàn)場(chǎng)需要，保證礦用變頻器在低電壓、三相電壓失衡波動(dòng)情況下能正常使用。輸入電源電壓失衡波形見圖2。

圖2 三相電源失衡圖

2.2 礦用變頻器典型工藝及系統(tǒng)控制

由于井下設(shè)備的工況環(huán)境較為復(fù)雜，尤其是多級(jí)通風(fēng)風(fēng)機(jī)，多級(jí)通風(fēng)系統(tǒng)中任意一點(diǎn)發(fā)生故障而停機(jī)，會(huì)使故障點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)受巷道型風(fēng)流牽引自旋，變頻器下次啟動(dòng)會(huì)造成較大沖擊，礦用變頻器具有轉(zhuǎn)速跟蹤起動(dòng)功能，變頻器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)自旋頻率后，再次啟動(dòng)就從檢測(cè)到的自旋頻率啟動(dòng)，減小因轉(zhuǎn)差造成的沖擊。井下通風(fēng)要求快速停車反轉(zhuǎn)功能，這樣很容易使變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，造成變頻器內(nèi)部直流過電壓，輕者變頻器造成變頻器直流過電壓保護(hù)關(guān)斷，重者造成變頻器損壞，礦用變頻器標(biāo)準(zhǔn)配置制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，能把電動(dòng)機(jī)回饋?zhàn)冾l器變頻器的能礦用量消耗在制動(dòng)電阻上，并有制動(dòng)次數(shù)、電壓記錄可以查詢，確保礦用變頻器在井下工礦中正常安全運(yùn)行。礦用變頻器具有越過暫時(shí)失電功能（ride-though）和直流母線電壓控制功能，在出現(xiàn)電網(wǎng)短時(shí)失電故障，希望變頻器不停止工作，通過把部分動(dòng)能回饋到直流儲(chǔ)變頻器能電容，維持一個(gè)較低轉(zhuǎn)速，待電網(wǎng)恢復(fù)后，電動(dòng)機(jī)重新加速到原轉(zhuǎn)速，低壓使保持生產(chǎn)的連續(xù)性。見圖3。

圖3 過暫時(shí)失電功能（ride-though）和直流母線電壓控制

3 礦用變頻器電機(jī)除濕功能

礦山進(jìn)行深部開采中，巷道濕度大，部分電動(dòng)機(jī)由于采礦工藝的改變，閑置不用，等到再次使用時(shí)，電機(jī)絕緣下降，需要烘烤到絕緣恢復(fù)才能使用，傳統(tǒng)通行做法就是使用變壓器低電壓（24V）烘烤，經(jīng)常出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)燒毀的現(xiàn)象[2]，礦用變頻器具有自動(dòng)直流烘烤電動(dòng)機(jī)功能，不需要人工除濕烘烤，其電路原理圖見圖3。

圖4 礦用變頻器電動(dòng)機(jī)絕緣檢測(cè)電路圖

變頻器直流輸出原理，利用IGBT斬波器（DC/DC）的降壓（Buck型）原理輸出連續(xù)可調(diào)的直流電壓，如式（1）。通過控制IGBT通斷時(shí)間，改變占空比α，可得到不同電壓等級(jí)的直流。非防爆礦用變頻器輸出三相（A-B、B-C、C-A）直流分別對(duì)電動(dòng)機(jī)三相繞組加熱，礦用變頻器可以通過人機(jī)界面HMI或PC對(duì)輸出三相（A-B、B-C、C-A）的直流電壓和時(shí)間設(shè)置設(shè)置調(diào)節(jié)[4]。

式（1）中ton—IGBT導(dǎo)通時(shí)間；toff—IGBT截止時(shí)間；E—輸入電壓；T—周期；—導(dǎo)通時(shí)間占空比。

4 礦用變頻器的組網(wǎng)和通訊

國(guó)家數(shù)字化礦山戰(zhàn)略對(duì)井下設(shè)備提出數(shù)子化的要求，礦用變頻器是采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU，波特率9600bps，接口：異步，半雙工。用戶可已通過上位機(jī)（包括計(jì)算機(jī)、PLC等通訊設(shè)備）進(jìn)行讀寫變頻器功能參數(shù)、讀取狀態(tài)參數(shù)、寫控制命令，通訊時(shí)，變頻器處于從機(jī)狀態(tài)。礦用變頻器有兩種通訊接口RS-232接口、RS485接口，可以通過通訊板插件上的跳線選擇[3]。也可以通過選擇不同的通訊適配器（轉(zhuǎn)換模塊）來滿足不同的通訊協(xié)議要求，例如：Porf i bus DP；CAN open；DeviceNet；INTERBUS；CC-LINK；WorldFIP；ContorlNet等現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。礦用變頻器內(nèi)置光端機(jī)，接口為單模ST接口，方便井下礦用變頻器直接用光纖與上位機(jī)通訊。

圖5 礦用變頻器組網(wǎng)與通訊

5 結(jié)論

非防爆礦用變頻器是根據(jù)有色金屬礦山井下的實(shí)際情況而研發(fā)的一款礦業(yè)專用變頻器，經(jīng)過有色金屬礦山井下條件最嚴(yán)酷環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間試用，表現(xiàn)良好，礦用變頻器的使用壽命與通用變頻器相比大大提高，也同時(shí)減少礦山井下維護(hù)工作人員的勞動(dòng)量，保證礦山井下生產(chǎn)的正常運(yùn)行，為礦山帶來較好經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備安全。