淺析高壓交流變頻調速技術在煤礦主運輸皮帶系統的應用

摘要:文章闡述了高壓交流變頻調速技術的優勢和特點，介紹了該技術在神華寧煤集團清水營煤礦主運輸皮帶系統上的應用，本著高新技術推廣和應用，探討了對大功率電機驅動方式的發展方向。

關鍵詞:高壓 變頻 調速技術 煤礦 運輸皮帶

1 變頻調速技術的原理

交流變頻調速技術是微機技術、電力電子技術和電機傳動技術的綜合應用，是強弱電混合、機電一體的綜合性技術。其實質是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，其基本原理是通過整流橋將工頻交流電壓變為直流電壓，再由逆變器轉換為頻率、電壓可調的交流電壓作為交流電機的驅動電源，使電動機獲得無級調速所需的電壓和電流，是一種無附加轉差損耗的高效調速方式之一。變頻調速技術之所以在能源危機中應運而生，就是因為它能根據電機負載的變化實現自動、平滑的增速、減速，從而大幅度提高工作效率。

從理論上我們可知，電機的轉速 n與供電頻率 f 有以下關系:

其中:f——電源頻率; p——電機極對數

由公式可知，轉速n與頻率f成正比，如果不改變電動機的極數，只要改變頻率 f 即可改變電動機的轉速，當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍就非常寬。變頻調速技術就是這樣通過改變電動機的供電電源頻率，從而實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。

2 高壓交流變頻器介紹

高壓交流變頻器是指輸入電源電壓在3KV以上的大功率變頻器，主要電壓等級有 3000V、3300V、6000V、6600V、10000V等電壓等級的高壓大功率變頻器。高壓變頻器由高-低-高;低-高;高-高之分。高-低-高方式:高壓變頻器是把高壓電源用變壓器降壓后，用低壓變頻器進行控制，再用升壓變壓器把電壓升到我們使用的電壓，供給高壓電機使用。一般高低高方式都用在小功率的高壓電機做變頻節能用。低-高方式:高壓變頻器是用低壓變頻器控制后，直接用升壓變壓器把電壓升到電機使用電壓。低高方式也是用在小功率高壓電機做變頻節能用。高-高方式:高壓變頻器是直接用變頻器多個模塊串聯后，直接使用高壓電源，直接輸出高壓，供高壓電機使用。高高方式主要用在大功率高壓電機做變頻節能用。

3 高壓變頻調速技術的使用案例

神華寧煤集團清水營煤礦主斜井運輸皮帶變頻配電裝置采用了西門子工廠自動化工程有限公司生產的羅賓康完美無諧波系列高壓變頻器。采用高-高方式，變頻器輸出6.6KV，輸出波形近似正弦波，由DV/DT引起的電壓降可以忽略不計，電機與變頻器距離750米，電機額定電壓6KV ，系統配置留有余度，電壓降的問題可以解決。

主斜井皮帶機頭部三個驅動點，三臺1600KW國產防爆電機，二臺電機同軸聯結，另一臺就近安裝，配備三臺2000kW羅賓康完美無諧波系列高壓變頻器，配一套PLC 控制器，三臺變頻器采用一拖一方式運行，同步由PLC 控制器實現變頻器與干式變壓器控制器(內置西門子研發的皮帶控制軟件)，為了滿足既要保證整個系統速度同步，確保變頻器的之間的功率平衡、速度同步，保證三臺電機同步，功率平衡，轉矩平衡，皮帶平穩啟停，采用最新的droop control技術，這樣三臺變頻器均處于速度閉環運行模式。

3.1 特點:①節電、效益高 清水營煤礦主斜井皮帶，于2008年10月份安裝完成投入運行的，根據目前的運行狀況，在節能狀況上進行分析。運行情況分析如下:設計最高帶速4.5 m/s;實際運行帶速為3.0 m/s;

所記錄5個時段兩臺驅動電機運行情況如下:

工作電流: ②50A ③51A電機功率: 130KW 130KW

工作電流: ②52A ③53A電機功率: 131KW 122KW

工作電流: ②51A ③52A電機功率: 135KW 117KW

工作電流: ②49A ③50A電機功率: 128KW 117KW

工作電流: ②55A ③54A電機功率: 125KW 115KW

使用情況對比:主井皮帶根據目前使用情況如不采用變頻調速， 每天(按照每天正常運轉16小時計算)電量為:1600×2×0.3×16=15360kw/h;當采用變頻調速時每天電量為:260×16=4160 kw/h;按照電價(0.7元/天)來核算每日節電: 15360×0.7-4160×0.7=7840元;全年節電235萬元(按照300天計算)。②性能優異，屬于高性能調速驅動，可根據運量調帶速;輸入和輸出諧波極少(36脈沖整流、13電平逆變);③多機驅動功率平衡好，速度同步好，低速運行穩定，啟動電流小，功率因素高，系統節能明顯;④技術先進，裝機容量大，而且系統配置簡單，標準化程度高，容易實現;⑤裝機體積小，重量輕，安裝維護十分方便，工作環境好，無機械磨損及漏油情況;⑥工作損耗低，傳動效率高(變頻器本體效率高，高于98.5%)，線性度好，驅動過程優化;⑦ 調速過程穩定，并可有效避免機械共振等;⑧適應電網波動要求，電網電壓可下降至55%，變頻器仍能繼續工作而不跳機;⑨電壓源型高壓變頻器、幾乎在整個速度段輸入功率因素大于0.95。

3.2 運行情況及其比較 傳統的帶式輸送機工程設計中，一般使用調速型液力耦合器，或CST等機械和液壓方式的驅動設備，具有效率低、維護復雜、工作環境差、不可調速、非線性和啟動電流大等缺點，而且由于大的啟動加速度，導致皮帶持續波動，張力特性較差，無法對長距離輸送的動態優化和安全啟動提供有效的保證。

經運行情況表明該系統可長期可靠地應用于長距離帶式輸送機等恒轉矩負載，具有起動轉矩大，過載能力強等特點?？稍谳p載、重載等各種工況下可靠、有效地控制帶式輸送機柔性負載的軟啟動/軟停車整個動態過程，并在全過程中實現各膠帶機的驅動電機之間的功率平衡和速度同步，并提供可調驗帶速度，由此降低快速起動/快速停車過程對機械和電氣系統的沖擊，避免灑料與疊帶，有效抑制膠帶輸送機動態張力波可能對膠帶和機械設備造成的危害，延長輸送機使用壽命，增加輸送系統的安全性和可靠性。

變頻器具有單元過電壓、過電流、欠電壓、缺相、過熱、變頻器過載、電機過載、輸出接地、輸出短路保護以及對隔離變壓器各種保護等功能。正常情況下，當上述故障發生時，變頻器會自動根據故障級別給出報警或者保護停機，為了增強系統的可靠性，系統又將這些故障信號引入PLC系統，經其判斷綜合后，使系統發出信息或保護停機。

綜上所述，在該系統投入運行良好，最重要特點是節能效果顯著，尤其是針對目前礦井建設初級階段，所帶負荷并不是很大，可根據負載情況有效調節輸送機運行。

3.3 技術開發和應用 從設備選型開始針對膠帶輸送機傳統的CST軟啟動方式與變頻調速方式進行對比、論證。在次期間召開了多次技術聯絡論證會，并結合國內、外相關使用經驗。最終確定使用變頻調速方式，后在系統設計過程中多次召開設計聯絡會，最終通過幾方的共同努力，確認了目前主斜井膠帶輸送機控制系統的構成方案，在安裝中積極深入現場，解決問題，改進和完善設計中的不足最終使主斜井皮帶從安裝到投入使用一次性取得成功。

4 高壓變頻調速技術發展前景

據國家《電動機調速技術產業化途徑與對策的研究》報告披露，中國發電總量的66%消耗在電動機上。而中國目前電動機裝機容量已超過4億千瓦，而高壓電機約占一半，高壓電機中近70%拖動的負載是風機、泵類、壓縮機，其中一半適合調速，即有約7500萬千瓦的高壓電機處在浪費運行的狀態。從目前高壓變頻器的一般使用情況來看，平均節電可達30%，因而，無論是在新建項目中，還是在技改項目中，高壓變頻系統的投入和使用，其節能效果不言而喻。

在我國電動機的實際應用中，由于設計余量、電機選型的過載能力考慮和實際運行中負載率很低等方面的原因，高效設計制造的電動機經常處于低效運行狀態，低負載率造成的電動機運行效率低下，造成電動機拖動系統能效的大大降低。一般地說，大量的電動機可以應用調速技術，調速可歸納為:節能調速、工藝調速、牽引調速和精密調速四大類。不管它們側重于哪種應用的需要，都有不同程度的節能(電)效果。

煤礦企業大功率電機很多，利用高壓變頻調速技術對煤炭企業現有設備進行技術改造，完全能實現改善工況點、提高效率、節省電能的目的。隨著科學技術的不斷進步，高壓交流電動機變頻調速技術已日趨完善，在煤礦企業技術改造和產品更新換代及在節能和實現生產過程自動化方面都取得了明顯的效果。因此，積極推廣先進的高壓交流變頻調速技術，用先進的設備武裝、改造煤礦等傳統產業，促進煤礦企業的科學發展，打造真正意義上的現代化煤礦。

參考文獻:

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[2]胡崇岳.現代交流調速系統[M].北京.機械工業出版社.1998.

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