礦用中低壓變頻調速設備技術的現狀分析

李 軍申生太董淑棠顧潮青

(1.同煤集團永定莊煤業公司,山西省大同市,037024; 2.潞安礦業(集團)有限責任公司漳村煤礦,山西省長治市,046032; 3.太原惠特科技有限公司,山西省晉中市,030600)

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礦用中低壓變頻調速設備技術的現狀分析

李 軍1申生太2董淑棠3顧潮青3

(1.同煤集團永定莊煤業公司,山西省大同市,037024; 2.潞安礦業(集團)有限責任公司漳村煤礦,山西省長治市,046032; 3.太原惠特科技有限公司,山西省晉中市,030600)

摘 要闡述了礦用設備運行中存在的問題,研究了當前各種礦用變頻調速設備的工作原理、系統組成、功能及使用情況,探討了礦用變頻設備使用中應該關注的問題及采取的措施,針對不同礦用設備應該根據使用對象和工況特點進行選型配套,為用戶全面了解礦用變頻技術現狀和選型配套提供了良好的技術支持。

關鍵詞礦用變頻技術 現狀 分析

Status analysis of technology of mining medium-low-voltage frequency control equipment

Li Jun1,Shen Shengtai2,Dong Shutang3,Gu Chaoqing3
(1.Yongdingzhuang Coal Industry Co.,Ltd.,Datong Coal Group,Datong,Shanxi 037024,China; 2.Zhangcun Coal Mine,Lu＇an Mining Group Co.,Ltd.,Changzhi,Shanxi 046032,China; 3.Taiyuan Huite Science& Technology Co.,Ltd.,Jinzhong,Shanxi 030600,China)

Abstract The problems of mining equipment in the operation were elaborated,the operating principle,system composition,functions and service conditions of various kinds of mining frequency control equipment at present were studied,the issues of concern and the adopted measures of mining frequency control equipment in use were discussed.Type selection and matching of different mining equipment should carry out according to using objects and operating conditions,which provided good technical supports for customers to overall understand the mining frequency control technical status and type selection and matching.

Key words mining frequency control technology,status,analysis

1　概述

目前礦用拖動電機的功率越來越大,電機直接啟動時會產生4～8倍額定電流的大電流沖擊,極易造成電網電壓跌落,影響電網的穩定運行,頻繁啟動時極易燒毀電氣元件,降低電機壽命,影響正常生產;礦用各種設備在停車時,傳動系統的各處都存在著大小不等的間隙,在啟動時如果傳動系統尚未張緊之前就施加大轉矩啟動,就會產生嚴重的機械沖擊,會引發斷裂、剪切損壞和加劇磨損等一系列機械故障;礦用輸送設備由于受到運輸系統、地質條件和其它設備聯動等諸多因素的影響,存在停車的隨機性,再次啟動時多為重載啟動,存在難以啟動的問題;礦用設備的拖動多數配置為大馬拉小車,存在功率富裕量大、系統效率低以及無效損耗大等問題,多機拖動時又存在功率不平衡等問題.

隨著電力電子技術及變頻控制技術的發展,變頻調速設備已經在煤礦得到大量的推廣和應用.目前,根據設備的結構或用途,國內礦用變頻調速設備主要有變頻調速裝置、礦用變頻器和刮板輸送機用變頻器.由于變頻調速技術具有高效節能、故障率低以及控制性能好等優點,在煤礦井下的絞車、提升機、局部通風機、帶式輸送機、刮板輸送機、增壓泵、采煤機牽引以及乳化液泵等負載的驅動上都得到了廣泛應用,可以有效提高煤礦的能源利用效率、工藝控制及自動化水平,取得了顯著的應用效果.

本文研究了各種變頻調速控制技術的工作原理、系統組成及各自使用情況,并詮釋了各種礦用變頻器的差異.指出了礦用變頻設備使用中存在的問題,并提出了應采取的技術措施,以防止因減少功能而引發的生產事故.在多種變頻技術的條件下,為廣大煤礦用戶全面掌握變頻技術現狀、合理選型配套以及達到預期效果提供了技術支持,對合理使用礦用變頻設備具有重要的現實意義.

2　變頻調速控制技術及適應性分析

2.1標量控制技術及適應性

標量控制(V/F控制)是一種較為簡單的變頻控制技術,基本原理是在調頻過程中對給定變化的電壓進行控制,解決變頻的同時又可以實現變壓,稱為VVVF,較為典型的是線性和平方標量控制.標量控制通過定子電壓、電流和頻率來間接控制電機的磁場和轉子電流,依據的控制規律是在正弦穩態條件下確定的,這種控制規律在動態運行時,與電機的實際狀態不符,不適用于動態過程的控制,所以標量控制技術常用于風機和水泵等負載.

2.2矢量控制技術及適應性

矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量,根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制,達到控制異步電動機轉矩的目的.具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量(勵磁電流)和產生轉矩的電流分量(轉矩電流)分別加以控制,并同時控制兩分量間的幅值和相位,即控制定子電流矢量,所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式.矢量控制方式又有基于轉差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等.無速度傳感器的矢量控制技術是當前應用最廣泛的變頻調速控制技術,其基本控制思想是根據輸入的電動機的銘牌參數,按照轉矩計算公式分別對作為基本控制量的勵磁電流(或者磁通)和轉矩電流進行檢測,并通過控制電動機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流(或者磁通)和轉矩電流的指令值和檢測值達到一致,并輸出轉矩,從而實現矢量控制.這樣就可以將1臺三相異步電機等效為直流電機來控制,因而獲得與直流調速系統同樣的靜態和動態性能.具有既可以控制異步電動機的轉速,又可以控制轉矩的性能,適用于煤礦既要求準確位置控制,又要求施力(或加速度)控制的場所,如礦用提升機.

2.3直接轉矩控制(DTC)技術

直接轉矩控制(DTC)技術強調的是轉矩的直接控制與效果,其基本原理是直接控制電機轉矩,使電機獲得極高的響應頻率,保證電機具有良好的速度和轉矩控制能力.目前,國內外市場上只有ABB公司真正實現了直接轉矩控制,在40 Hz以下典型的轉矩響應時間在1～2 ms;帶編碼器的矢量控制和直流傳動響應時間在10～20 ms,開環的標量控制響應時間大于100 ms.直接轉矩控制可以在沒有編碼器或測速傳感器等速度反饋的情況下,實現頻率低于0.5 Hz的情況下提供1倍的額定轉矩,大于0.5 Hz后可提供2倍的額定轉矩,具有低速輸出大轉矩的特性,特別適應于重載起動場所,如刮板輸送機和大坡度帶式輸送機.

3　各類礦用變頻調速設備的使用現狀分析

3.1變頻調速裝置的工作原理和使用

3.1.1工作原理

礦用變頻調速裝置,規定型號為ZJT,主要由整流器、濾波電路、逆變器和變頻器控制單元等部分組成,其工作原理如圖1所示.

圖1　變頻調速裝置工作原理

由圖1可以看出,其工作原理是把工頻電源通過整流器變成脈動直流,經濾波電路濾波為平滑直流,然后利用半導體器件(一般為IGBT)組成的三相逆變器,將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電,由于采用微處理器編程的脈寬調制(PWM)方法,使輸出電流波形近似正弦波,用于驅動異步電機,實現無級調速.

3.1.2 使用情況

變頻調速裝置無隔離換向開關和輸出真空接觸器,設備使用時需配接饋電開關;電機或外部電纜出現故障時,無法切斷變頻裝置與外部的連接,容易造成設備損壞,一般只具備變頻調速功能,在需要實現功率平衡或多電機驅動的控制時需外加控制箱;一般沒有與集控或自動化系統聯網的功能.

3.2礦用變頻器的工作原理和使用

3.2.1工作原理

礦用變頻器的規定型號為BPJ,主要由隔離換向開關、整流器、濾波電路、逆變器、輸出真空接觸器、變頻器控制單元和開關控制單元部分組成,其工作原理如圖2所示.

圖2　礦用變頻器工作原理

由圖2可以看出,礦用變頻器包含了變頻調速裝置的全部功能,輸入端帶有隔離換向開關,可實現供電電源的隔離;輸出端配有真空接觸器,系統故障時,輸出真空接觸器可以保護設備安全;開關控制單元一般帶有簡易的PLC功能,多機拖動時,可實現多電機的功率平衡,還具有集控、遠控/本控等操作功能.

3.2.2使用情況

礦用變頻器相對于變頻調速裝置的使用維護更為方便,保護更全面,不需要選配饋電開關,多機聯動時,自身可實現集中控制,并可實現遠控/本控操作;實現多電機驅動的功率平衡和在線無極調速.

3.3刮板輸送機用變頻器的工作原理及使用

3.3.1工作原理

礦用刮板輸送機用隔爆兼本質安全型交流變頻器,規定型號為BPJ1－400/1140G,是太原惠特科技有限公司根據刮板輸送機特殊使用情況而研制的;型號中的G代表刮板輸送機專用,其工作原理如圖3所示.

圖3　刮板輸送機用變頻器工作原理

由圖3可以看出,刮板輸送機用變頻器由隔離換向開關、整流器、濾波電路、逆變器、變頻輸出真空接觸器、變頻器控制單元和開關控制單元構成了完整的礦用變頻器,同時具備了相應的功能;由隔離換向開關、工頻輸出真空接觸器和系統控制單元又構成了完整的磁力啟動器回路,并具有相應的功能,是礦用變頻器與磁力啟動器的一體化集成.

系統控制單元具有完備的PLC功能,具有可擴展性和通訊功能,可實現集控、遠控、本控和組網的通訊功能;在1.5倍額定電流以下可輸出2倍的額定轉矩,適應重載難啟動;具有多電機的功率平衡功能,并能夠實現機頭機尾電機運行電流差小于5％;具有根據刮板輸送機的工況,采煤機位置模糊控制功能,實現空載慢速、輕載低速、滿載全速的節能控制;不論負載大小,功率因素都保持在0.9以上,減少了無功損耗;具有大富裕量的配置,達到了1.5倍以上的過載能力可滿足刮板輸送機載荷劇烈波動的工況要求;磁力啟動器回路,可滿足刮板機頻繁點車和應急使用.

3.3.2使用情況

刮板輸送機用變頻器適應于刮板輸送機的控制,無需配接饋電開關,就可滿足刮板輸送機的集控、遠控和本控等各種控制要求.在節能控制模式下運行,還可實現節能降耗的目的,節能率達15％～20％,還可明顯減少機械磨損.

3.4其它專用變頻調速設備

在我國煤炭行業還專門為井下研制有局部通風機用雙電源雙變頻器、乳化液泵站專用變頻控制系統、帶式輸送機變頻張緊裝置等變頻設備,在煤礦井下也得到了一定范圍的應用,并達到了預期效果.

4　關注的問題及應采取的對策

4.1關注的問題

變頻調速設備在煤礦井下應用日益廣泛的同時,也帶來嚴重的干擾問題.變頻器的輸入部分為整流電路,輸出部分為逆變電路,都是由起開關作用的非線性元件組成的,工作時都會產生高次諧波,從而使其輸入電源和輸出的電壓波形和電流波形發生畸變.電壓和電流的高次諧波成分以各種方式把自己的能量傳播出去,形成對變頻設備本身和其它設備的干擾.這導致出現前級電磁啟動器、饋電開關、低壓保護箱等設備的誤動作、控制系統誤報警、控制總線誤動作等,甚至在變頻設備工作時其它系統設備無法正常運行,從而造成系統設備故障和生產事故.

4.2應采取的措施

變頻設備的干擾類型主要為電磁輻射干擾、傳導干擾和感應耦合干擾,解決對策可以概括為隔離或抑制干擾源、切斷傳播途徑以及降低接收器對干擾信號的敏感性.一般通過以下手段解決電磁干擾的問題:采用隔離變壓器隔離外界對變頻設備的干擾,又可以隔離變頻設備對外界的干擾;在變頻設備的輸入及輸出側增加濾波器,可以濾除大部分高次諧波;除傳統的無源濾波器(LC濾波器)目前還在應用外,諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器,它串聯或并聯于主電路中,實時從補償對象中檢測出諧波電流,由補償裝置產生一個與諧波電流大小相等且方向與之相反的補償電流,這樣使電網電流只含基波分量.這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行實時跟蹤和補償,且補償不受電網阻抗的影響,因此受到廣泛重視.其它還可以通過對設備和傳輸線進行屏蔽、合理的布線以及可靠正確的接地來進一步降低變頻設備帶來的輻射干擾以及感應耦合干擾等.

5　結論

(1)變頻調速裝置因無隔離換向開關、輸出真空接觸器和開關控制單元,使用中必須另配輸入側饋電開關,否則在系統故障時無法切斷電源;需要多機拖動的地方,必須配備集中控制系統使用,否則無法實現集中控制及級聯、遠控等操作功能,設備選型時必須考慮相關的增配設備.

(2)礦用變頻器一般具有隔離換向開關和輸出真空接觸器,可以取代原來的磁力啟動器,實現調速、控制和操作,不用考慮其它增配設備即可使用.

(3)刮板輸送機用變頻器除了具有礦用變頻器的功能以外,還增加了磁力啟動器回路;內部配置的過載能力更大達1.5倍以上;具有節能控制模式,可以滿足刮板機的重載難啟動、負載突變和波動頻繁的要求,在啟動電流小于1.5倍額定電流下,輸出2倍的額定轉矩;功率因素保持在0.9以上;節能控制可實現15％～20％的節能效果;工頻回路可以滿足刮板輸送機的點動等特殊要求和應急使用.

(4)其它礦用變頻設備可以根據控制對象進行專用變頻設備選型.

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(責任編輯 王雅琴)

★煤炭科技·加工轉化★

作者簡介:李軍(1975－),男,山西天鎮人,碩士,大同煤礦集團永定莊煤業公司機電副總經理,主要從事機電技術管理工作。

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