梁宇

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團高陽煤礦， 山西 孝義 032306)

0 引言

在煤礦工作面設(shè)備向著自動化方向不斷發(fā)展的進程中，先進的采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機等設(shè)備投入到生產(chǎn)實際中，并不斷更新發(fā)展，取得了很好的應(yīng)用成果，裝機功率也在不斷加大[1]。在此期間，刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機等設(shè)備的控制設(shè)備也在不斷更新技術(shù)。變頻器、變頻電動機、變頻一體機等已在綜采工作面取得了實用，并得到了廣泛推廣。變頻控制器有效解決了生產(chǎn)過程中刮板輸送機因重載啟動對供電質(zhì)量及機械結(jié)構(gòu)的沖擊影響，但也引入了設(shè)備運行中的諧波問題，對電動機及電網(wǎng)供電質(zhì)量造成影響[2]。

隨著智能化綜采工作面這一課題逐步進入實用階段[3]，大功率設(shè)備及變頻技術(shù)的進一步拓展應(yīng)用，使用更高電壓等級所依托的供配電設(shè)備、實現(xiàn)各種通信控制功能的系統(tǒng)設(shè)備(傳感器、通信分站、攝像頭、電磁閥等)無疑使工作面內(nèi)的感性元器件進一步增多，諧波對工作面的供電質(zhì)量及通信環(huán)境的影響不容忽視。同時，感性負(fù)荷造成的無功功率增多、功率因數(shù)降低及設(shè)備能耗增高的問題還需解決。此外，智能化綜采工作面課題的深入也改變了傳統(tǒng)綜采工作面的供電方式，由傳統(tǒng)的切眼附近順槽內(nèi)移動設(shè)備列車近距離供電逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轫槻弁夤潭ㄅ潆婞c遠距離供電[4]。遠距離供電方式、工作面電壓降、刮板輸送機等設(shè)備供電線路的電壓、電流波動更為明顯[5]。

刮板輸送機作為綜采工作面煤炭運輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，其工作穩(wěn)定性、安全性和持久性是綜采工作面正常運行的保證，同時也是綜采工作面的主要用電負(fù)荷。如何減少諧波等因素對刮板輸送機電動機的干擾，同時提高其功率因數(shù)，降低電能消耗是現(xiàn)場使用刮板輸送機應(yīng)考慮的問題。目前能夠綜合解決以上問題的有效途徑為鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器[6-7]。我礦在21109綜采工作面加裝了無功發(fā)生器，測試SVG在刮板輸送機上的應(yīng)用效果。

1 綜采工作面設(shè)備選型及供電簡介

1.1 工作面簡介

21109綜采工作面長度199 m,可采長度303 m,煤層厚度8.5 m,煤層傾角4°。因順槽長度較短，故采用設(shè)備列車固定于順槽外聯(lián)巷內(nèi)供電方式，較其他工作面供電距離較遠，電壓降較大，可以很好地進行無功發(fā)生器實用型驗證。如圖1所示，該工作面設(shè)備供電電壓等級1 140 V，前部刮板輸送機使用軟啟動開關(guān)控制，后部刮板輸送機使用變頻器控制。共配置2臺鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器(SVG)，分別位于前、后刮板電源側(cè)，可有效對網(wǎng)側(cè)電流進行無功補償。鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器(SVG)型號選擇WJL1-500/1 140,補償回路額定電流250 A，補償容量0～500 kVar，可進行動態(tài)補償。

表1 工作面刮板輸送機配置

圖1 刮板輸送機進行無功補償示意圖

1.2 靜止無功發(fā)生器(SVG)的結(jié)構(gòu)及原理

靜止無功發(fā)生器是一種用于動態(tài)補償無功的新型電力電子裝置。其基本原理是將電壓源型逆變器經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)中，通過調(diào)節(jié)逆變橋中IGBT器件的開關(guān)，可以控制直流逆變到交流電壓的幅值和相位。通過檢測系統(tǒng)中所需的無功，可以快速發(fā)出大小相等，相位相反的無功，實現(xiàn)無功的就地平衡。靜止無功發(fā)生器系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路。其中指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的無功電流分量。補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流，它由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路3個部分構(gòu)成[8]。

2 靜止無功發(fā)生器(SVG)的現(xiàn)場應(yīng)用分析

2.1 刮板輸送機不同狀態(tài)下的功率因數(shù)分析

圖2為前后部刮板輸送機在未使用功率補償時，不同狀態(tài)下的功率因數(shù)分布散點圖。數(shù)據(jù)選取在刮板輸送機在輕載和重載不同狀態(tài)下，一定時間內(nèi)的連續(xù)數(shù)據(jù)。

(a) 前部刮板輸送機輕載功率因數(shù)分布

(c) 后部刮板輸送機輕載功率因數(shù)分布

由圖2可知，在前部刮板輸送機輕載狀態(tài)下功率因數(shù)分布在0.5以下數(shù)據(jù)占比為28%；0.5～0.6范圍數(shù)據(jù)占比為64%，0.6以上數(shù)據(jù)占比8%。通過該數(shù)據(jù)可知，前部刮板輸送機軟啟動在輕載狀態(tài)功率因數(shù)較低，主要集中在0.5～0.6范圍內(nèi)。前部刮板輸送機重載狀態(tài)功率因數(shù)有所提高，主要集中在0.8～0.9區(qū)間內(nèi)，0.8以下數(shù)據(jù)占比為26%，0.8～0.9范圍數(shù)據(jù)占比為63%，0.9以上數(shù)據(jù)占比11%。

后部刮板輸送機使用變頻器控制，功率因數(shù)明顯較高。在輕載狀態(tài)下，功率因數(shù)主要集中在0.75～0.85之間，數(shù)據(jù)占比達到84%，0.85以上數(shù)據(jù)占比6%；在重載狀態(tài)下，功率因數(shù)主要集中在0.85～0.95之間，0.85以上數(shù)據(jù)占比82%，0.95以上數(shù)據(jù)占比16%。

由前后部刮板輸送機在不同狀態(tài)及不同控制開關(guān)下功率因數(shù)數(shù)據(jù)圖可知：

1) 前后部刮板輸送機在輕載狀態(tài)下功率因數(shù)較低，功率因數(shù)分布較均勻，平順；對應(yīng)采煤過程，該時期電動機運行較穩(wěn)定，負(fù)荷較小。

2) 通過對比前部刮板輸送機和后部刮板輸送機在輕載和重載狀態(tài)下的數(shù)據(jù)分布，使用變頻器控制開關(guān)可以有效提高電動機運行的功率因數(shù)；且在重載狀態(tài)下可有效穩(wěn)定負(fù)荷電流輸出，減少因煤量的突變造成的數(shù)據(jù)分散。

3) 前后部刮板輸送機在輕載狀態(tài)運行較穩(wěn)定，即功率因數(shù)分布較集中。在重載狀態(tài)下運行波動較大，功率因數(shù)分布較分散，且數(shù)據(jù)變動趨勢較明顯。該數(shù)據(jù)分布可看出在前后部刮板輸送機的重載狀態(tài)下正對應(yīng)采煤機割煤及后部放頂煤的過程，在此過程中，受采煤工藝的直接影響，負(fù)荷大小存在較大波動，不穩(wěn)定性加劇。從這一方面可證實采集數(shù)據(jù)的可靠性和真實性。

2.2 使用SVG后的數(shù)據(jù)對比分析

2.2.1 前部刮板輸送機投入SVG數(shù)據(jù)對比

由圖3可知，前部刮板輸送機在輕載狀態(tài)投入SVG后功率因數(shù)明顯提高，功率因數(shù)基本達到0.7以上，平均功率因數(shù)由0.53達到0.85，增長幅度為60%；投入SVG后0.7～0.9范圍數(shù)據(jù)占比64%，0.9以上數(shù)據(jù)占比24%。前部刮板輸送機在重載狀態(tài)投入SVG后功率因數(shù)有所提高，平均功率因數(shù)由0.83提高至0.96，增長幅度為17%；投入SVG后0.9以上數(shù)據(jù)占比為83%，根據(jù)輕載狀態(tài)投入SVG后數(shù)據(jù)分散性加劇，重載情況下數(shù)據(jù)分布較集中，這一數(shù)據(jù)表現(xiàn)與刮板輸送機在不同負(fù)載情況下的運行過程相一致。同時能夠印證SVG的動態(tài)補償原理及動態(tài)補償過程：即在輕載狀態(tài)功率因數(shù)低的情況下，不斷進行系統(tǒng)監(jiān)測并對電網(wǎng)進行實時無功補償，因補償范圍較大，因此補償過程跳躍性較多；而重載情況下，補償范圍較少，補償過程較平穩(wěn)，可以證實SVG的工作有效性。

(a) 前部刮板輸送機輕載未投入SVG功率因數(shù)

(c) 前部刮板輸送機重載未投入SVG功率因數(shù)

2.2.2 后部刮板輸送機投入SVG數(shù)據(jù)對比

由圖4可知，后部刮板輸送機在SVG補償作用下，功率因數(shù)在輕載狀態(tài)0.7以上提高至0.8以上，在重載狀態(tài)提高至0.9以上，增長幅度基本一致，橫向?qū)Ρ惹安抗伟遢斔蜋C功率因數(shù)增長幅度較小。因后部刮板輸送機使用配套的變頻器控制，該數(shù)據(jù)能夠證明變頻器在應(yīng)用中起到了提高功率因數(shù)，降能節(jié)耗的作用。如下圖的數(shù)據(jù)曲線可知，在投入SVG后，功率因數(shù)顯現(xiàn)出類似三角函數(shù)曲線的周期性起伏現(xiàn)象，在重載狀態(tài)下數(shù)據(jù)曲線更為明顯。

(a) 后部刮板輸送機輕載未投入SVG功率因數(shù)分布

(c) 后部刮板輸送機重載未投入SVG功率因數(shù)分布

2.2.3 投入SVG后增長曲線對比

如圖5所示，通過對比前后部刮板輸送機在不同狀態(tài)下投入SVG前后曲線的趨勢可知，前部刮板輸送機輕載狀態(tài)多項式的R2為0.85，前部刮板輸送機重載狀態(tài)多項式曲線的R2為0.60，后部刮板輸送機輕載狀態(tài)多項式曲線的R2為0.61，后部刮板輸送機重載狀態(tài)多項式曲線的R2為0.34。即SVG在前部刮板輸送機輕載狀態(tài)下補償效果最明顯。

(a) 前部刮板輸送機輕載狀態(tài)投入無功補償功率因數(shù)趨勢

(c) 后部刮板輸送機輕載狀態(tài)投入無功補償功率因數(shù)趨勢

2.2.4 使用SVG前后電度對比

通過對比SVG使用前與使用后2個月的電度可知，在使用SVG后噸煤電耗由2.49 kWh/t降為1.95 kWh/t，按照0.63元/度價格計算，按照400萬t/a原煤產(chǎn)量，使用SVG后預(yù)計全年可節(jié)省電費136萬元。

3 結(jié)論

綜合以上闡述及現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)分析，無功補償裝置在綜采工作面中的應(yīng)用對供電功率因數(shù)及供電質(zhì)量的提高有一定作用，同時，通過無功補償可以有效降低電能消耗，起到煤礦企業(yè)節(jié)能降耗的作用。