變頻調(diào)速在礦井提升中的應(yīng)用

　　作者簡介：
　　石克鋒（1974年7月出生），男，專科，機電工程師，注冊安全工程師，研究方向：煤礦機電。
　　
　　
　　摘要：變頻器是將固定頻率的交流電變換為頻率連續(xù)可調(diào)的交流電的一種電氣裝置。變頻器的問世，在電氣傳動領(lǐng)域里發(fā)生了一場技術(shù)革命，即用交流調(diào)速取代其他調(diào)速方式。變頻調(diào)速技術(shù)具有節(jié)能、改善電機運行狀態(tài)、減少電機損傷和對電網(wǎng)的沖擊以及便于自動控制等諸多優(yōu)勢，被國內(nèi)公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。
　　關(guān)鍵詞：變頻器變頻調(diào)速
　　中圖分類號： TD534 文獻標志碼：A文章編號：1672-3791(2011)06(c)-0000-01
　　
　　1 變頻調(diào)速與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的比較
　　1.1 轉(zhuǎn)子調(diào)速
　　現(xiàn)在大多數(shù)礦用提升機還在沿用傳統(tǒng)的繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，用轉(zhuǎn)子串電阻的方法調(diào)速。這種系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)的調(diào)速方法。由人為機械特性可知，轉(zhuǎn)子回路串電阻以后，機械特性變軟，轉(zhuǎn)速降低，其調(diào)速過程如圖1所示。
　　
　　電動機原來穩(wěn)定運行于固有特性 的點，轉(zhuǎn)子回路串入電阻后，機械特性軟化變?yōu)?，運行點過渡到人為特性 的 點。由于 ，電動機變減速，當減速到 點時， 電動機有低速運行于新的穩(wěn)定工作點 。調(diào)速時，當電源電壓為 ，磁通為 ，兩者均不變；轉(zhuǎn)子電流限制為 ;功率因數(shù) 基本不變，故電動機轉(zhuǎn)矩 為定值，屬恒轉(zhuǎn)矩輸出。轉(zhuǎn)子回路串入電阻以后，轉(zhuǎn)差率增大。電動機轉(zhuǎn)子銅損即轉(zhuǎn)差功率為 如忽略機械損耗則輸出功率為 調(diào)速時轉(zhuǎn)子回路效率為 由以上三式可以看出，隨著轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)差率增加，轉(zhuǎn)子銅損增大，輸出功率減小，效率降低，因而經(jīng)濟性差。
　　
　　2 變頻調(diào)速
　　供電電源的額定頻率稱為基頻，變頻調(diào)速可以從基頻往上調(diào)，也可以從基頻往下調(diào)。
　　2.1 從基頻向上變頻調(diào)速
　　當頻率升高時，如升高電源電壓顯然是不允許的。所以只能維持 不變。由于頻率 升高，則磁通Φ會減小，因此在同一定子電流下轉(zhuǎn)矩也減小。若維持 額定不變，因為頻率升高時，功率 可以維持基本不變，因mC14hqXCcxpkVhKp6sQhuQ==此屬恒功率調(diào)速。變頻調(diào)速機械性能如圖2所示。
　　
　　2.2 從基頻向下變頻調(diào)速
　　由電機原理可知，異步電動機定子電壓 電源頻率 和磁通φ有以下關(guān)系
　　式中 ——定子繞組系數(shù)； ——定子繞組每相匝數(shù)。
　　上式說明，如果降低電源頻率時保持電源電壓不變，則隨著 下降，磁通Φ會增加，磁路飽和，勵磁電流增加，導(dǎo)致鐵損急劇增加，這是決不允許的。如果在 降低時， 也相應(yīng)降低，可以維持Φ為恒值，這樣既能充分利用電機出力，又不會因為磁路飽和而引起鐵芯發(fā)熱。采用 為常數(shù)的控制原則，從理論上分析屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，機械性硬度可保持不變。
　　3 高壓變頻工作原理
　　功率單元串聯(lián)的方法解決了用低壓的IFBT實現(xiàn)高壓變頻的困難。圖3所示為功率單元電路圖，每個功率單元在結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，這不但使調(diào)試、維修方便，而且使設(shè)備也十分經(jīng)濟，假如某一功率單元，該單元輸出端能自動旁路而整機可以暫時降額工作，直到慢慢停止運行。圖4所示為電壓疊加原理圖。
　　
　　
　　對于額定電壓輸出為6KV的變頻器，每相由6個低壓為580V的IGBT功率單元串聯(lián)而成，則疊加后輸出相電壓最高可達3480V，線電壓為 。由圖4可以看出每個功率單元將承受全部輸出電流，但只供1/6的相電壓和1/18的輸出功率。
　　4 礦用提升機變頻調(diào)速的改造及應(yīng)用
　　4.1 現(xiàn)場應(yīng)用
　　2010年3月淮北礦業(yè)集團海孜煤礦西部混合井絞車電控改造所選用的設(shè)備為交——直——交電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)，如圖5所示。
　　
　　該系統(tǒng)運行過程主要有兩個部分：
　　（1） 絞車電機作為電動機工作的過程，即正常逆變過程。該過程主要是由整流、濾波和正常逆變?nèi)蟛糠纸M成。其中正常逆變過程是核心部分，它改變電動機定子的供電頻率、電壓。起到調(diào)速作用。（2）絞車電機作為發(fā)電機工作的過程，即能量回饋過程。該過程主要由整流、回饋逆變和輸出濾波三部分組成。其中該部分整流是由正常逆變部分中IGBT的續(xù)流二極管完成。二極管 和 為隔離二極管，其主要作用是隔離正常逆變部分和回饋逆變部分。電解電容 的主要作用是為回饋逆變部分提供一個穩(wěn)定的電壓源，保證逆變部分運行更可靠。回饋逆變部分是整個回饋過程的核心部分。該部分實現(xiàn)回饋逆變輸出電壓相位于電網(wǎng)電壓相位一致。
　　為了確保安全可靠，讓變頻調(diào)速系統(tǒng)于原系統(tǒng)并存，互為備用，隨時切換。同時為了讓操作者不改變操作習慣，工頻和變頻系統(tǒng)都用員操作臺操作，變頻調(diào)速系統(tǒng)于原來調(diào)速系統(tǒng)切換搞糟方框圖如圖6所示。
　　
　　4.2 運行效果及前景
　　通過對該礦絞車電控系統(tǒng)的改造，運行一年來的效果告訴我們，絞車的穩(wěn)定性和安全性都大大提高，節(jié)能效果明顯。
　　由于變頻器是應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)、電力拖動技術(shù)以及計算機控制技術(shù)等科研成果，并根據(jù)市場的需求而研制開發(fā)的新一代高效節(jié)能型高科技產(chǎn)品。它具有節(jié)能、改善運行環(huán)境、平滑加速度、延長電機壽命、減少對電網(wǎng)的沖擊以及便于自動控制等諸多優(yōu)點，因此被國內(nèi)公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。