梁宇

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽(yáng)煤礦， 山西 孝義 032306)

0 引言

在煤礦工作面設(shè)備向著自動(dòng)化方向不斷發(fā)展的進(jìn)程中，先進(jìn)的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等設(shè)備投入到生產(chǎn)實(shí)際中，并不斷更新發(fā)展，取得了很好的應(yīng)用成果，裝機(jī)功率也在不斷加大[1]。在此期間，刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)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(dòng)機(jī)、變頻一體機(jī)等已在綜采工作面取得了實(shí)用，并得到了廣泛推廣。變頻控制器有效解決了生產(chǎn)過(guò)程中刮板輸送機(jī)因重載啟動(dòng)對(duì)供電質(zhì)量及機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊影響，但也引入了設(shè)備運(yùn)行中的諧波問(wèn)題，對(duì)電動(dòng)機(jī)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(jìn)入實(shí)用階段[3]，大功率設(shè)備及變頻技術(shù)的進(jìn)一步拓展應(yīng)用，使用更高電壓等級(jí)所依托的供配電設(shè)備、實(shí)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(wú)疑使工作面內(nèi)的感性元器件進(jìn)一步增多，諧波對(duì)工作面的供電質(zhì)量及通信環(huán)境的影響不容忽視。同時(shí)，感性負(fù)荷造成的無(wú)功功率增多、功率因數(shù)降低及設(shè)備能耗增高的問(wèn)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(dòng)設(shè)備列車(chē)近距離供電逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轫槻弁夤潭ㄅ潆婞c(diǎn)遠(yuǎn)距離供電[4]。遠(yuǎn)距離供電方式、工作面電壓降、刮板輸送機(jī)等設(shè)備供電線路的電壓、電流波動(dòng)更為明顯[5]。

刮板輸送機(jī)作為綜采工作面煤炭運(yùn)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(yùn)行的保證，同時(shí)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(duì)刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)的干擾，同時(shí)提高其功率因數(shù)，降低電能消耗是現(xiàn)場(chǎng)使用刮板輸送機(jī)應(yīng)考慮的問(wèn)題。目前能夠綜合解決以上問(wèn)題的有效途徑為鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器[6-7]。我礦在21109綜采工作面加裝了無(wú)功發(fā)生器，測(cè)試SVG在刮板輸送機(jī)上的應(yīng)用效果。

1 綜采工作面設(shè)備選型及供電簡(jiǎn)介

1.1 工作面簡(jiǎn)介

21109綜采工作面長(zhǎng)度199 m,可采長(zhǎng)度303 m,煤層厚度8.5 m,煤層傾角4°。因順槽長(zhǎng)度較短，故采用設(shè)備列車(chē)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(yuǎn)，電壓降較大，可以很好地進(jìn)行無(wú)功發(fā)生器實(shí)用型驗(yàn)證。如圖1所示，該工作面設(shè)備供電電壓等級(jí)1 140 V，前部刮板輸送機(jī)使用軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，后部刮板輸送機(jī)使用變頻器控制。共配置2臺(tái)鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器(SVG)，分別位于前、后刮板電源側(cè)，可有效對(duì)網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器(SVG)型號(hào)選擇WJL1-500/1 140,補(bǔ)償回路額定電流250 A，補(bǔ)償容量0～500 kVar，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

表1 工作面刮板輸送機(jī)配置

圖1 刮板輸送機(jī)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償示意圖

1.2 靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)的結(jié)構(gòu)及原理

靜止無(wú)功發(fā)生器是一種用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)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(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變橋中IGBT器件的開(kāi)關(guān)，可以控制直流逆變到交流電壓的幅值和相位。通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)中所需的無(wú)功，可以快速發(fā)出大小相等，相位相反的無(wú)功，實(shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡。靜止無(wú)功發(fā)生器系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的無(wú)功電流分量。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流，它由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路3個(gè)部分構(gòu)成[8]。

2 靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

2.1 刮板輸送機(jī)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(jī)在未使用功率補(bǔ)償時(shí)，不同狀態(tài)下的功率因數(shù)分布散點(diǎn)圖。數(shù)據(jù)選取在刮板輸送機(jī)在輕載和重載不同狀態(tài)下，一定時(shí)間內(nèi)的連續(xù)數(shù)據(jù)。

(a) 前部刮板輸送機(jī)輕載功率因數(shù)分布

(c) 后部刮板輸送機(jī)輕載功率因數(shù)分布

由圖2可知，在前部刮板輸送機(jī)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(guò)該數(shù)據(jù)可知，前部刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)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(jī)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(jī)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(dá)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(jī)在不同狀態(tài)及不同控制開(kāi)關(guān)下功率因數(shù)數(shù)據(jù)圖可知：

1) 前后部刮板輸送機(jī)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(duì)應(yīng)采煤過(guò)程，該時(shí)期電動(dòng)機(jī)運(yùn)行較穩(wěn)定，負(fù)荷較小。

2) 通過(guò)對(duì)比前部刮板輸送機(jī)和后部刮板輸送機(jī)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(kāi)關(guān)可以有效提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)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?cè)斐傻臄?shù)據(jù)分散。

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

2.2 使用SVG后的數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.2.1 前部刮板輸送機(jī)投入SVG數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖3可知，前部刮板輸送機(jī)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(dá)到0.7以上，平均功率因數(shù)由0.53達(dá)到0.85，增長(zhǎng)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(jī)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(zhǎng)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(jī)在不同負(fù)載情況下的運(yùn)行過(guò)程相一致。同時(shí)能夠印證SVG的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償過(guò)程：即在輕載狀態(tài)功率因數(shù)低的情況下，不斷進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)功補(bǔ)償，因補(bǔ)償范圍較大，因此補(bǔ)償過(guò)程跳躍性較多；而重載情況下，補(bǔ)償范圍較少，補(bǔ)償過(guò)程較平穩(wěn)，可以證實(shí)SVG的工作有效性。

(a) 前部刮板輸送機(jī)輕載未投入SVG功率因數(shù)

(c) 前部刮板輸送機(jī)重載未投入SVG功率因數(shù)

2.2.2 后部刮板輸送機(jī)投入SVG數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖4可知，后部刮板輸送機(jī)在SVG補(bǔ)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(zhǎng)幅度基本一致，橫向?qū)Ρ惹安抗伟遢斔蜋C(jī)功率因數(shù)增長(zhǎng)幅度較小。因后部刮板輸送機(jī)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(lèi)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(jī)輕載未投入SVG功率因數(shù)分布

(c) 后部刮板輸送機(jī)重載未投入SVG功率因數(shù)分布

2.2.3 投入SVG后增長(zhǎng)曲線對(duì)比

如圖5所示，通過(guò)對(duì)比前后部刮板輸送機(jī)在不同狀態(tài)下投入SVG前后曲線的趨勢(shì)可知，前部刮板輸送機(jī)輕載狀態(tài)多項(xiàng)式的R2為0.85，前部刮板輸送機(jī)重載狀態(tài)多項(xiàng)式曲線的R2為0.60，后部刮板輸送機(jī)輕載狀態(tài)多項(xiàng)式曲線的R2為0.61，后部刮板輸送機(jī)重載狀態(tài)多項(xiàng)式曲線的R2為0.34。即SVG在前部刮板輸送機(jī)輕載狀態(tài)下補(bǔ)償效果最明顯。

(a) 前部刮板輸送機(jī)輕載狀態(tài)投入無(wú)功補(bǔ)償功率因數(shù)趨勢(shì)

(c) 后部刮板輸送機(jī)輕載狀態(tài)投入無(wú)功補(bǔ)償功率因數(shù)趨勢(shì)

2.2.4 使用SVG前后電度對(duì)比

通過(guò)對(duì)比SVG使用前與使用后2個(gè)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(jià)格計(jì)算，按照400萬(wàn)t/a原煤產(chǎn)量，使用SVG后預(yù)計(jì)全年可節(jié)省電費(fèi)136萬(wàn)元。

3 結(jié)論

綜合以上闡述及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析，無(wú)功補(bǔ)償裝置在綜采工作面中的應(yīng)用對(duì)供電功率因數(shù)及供電質(zhì)量的提高有一定作用，同時(shí)，通過(guò)無(wú)功補(bǔ)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。