無功補償變頻一體化電機驅動刮板輸送機研究

任丕清，周建軍，馬庾卿

(1.山西焦煤集團，山西 太原 030024； 2.山西焦煤集團，山西 太原 030024；3.西山煤電集團 杜兒坪礦，山西 太原 030022)

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·試驗研究·

無功補償變頻一體化電機驅動刮板輸送機研究

任丕清1，周建軍2，馬庾卿3

(1.山西焦煤集團，山西 太原 030024； 2.山西焦煤集團，山西 太原 030024；3.西山煤電集團 杜兒坪礦，山西 太原 030022)

刮板輸送機是影響綜采工作面產能的關鍵設備，利用無功補償變頻一體化電機驅動刮板輸送機，在節能的基礎上還可以提高輸送機的可靠性。本文將現階段綜采工作面使用的電機與一體化電機進行比較，發現一體化電機優勢明顯。一體化電機兼具無功補償與變頻驅動的功能，同時在起動和運行過程中穩定可靠，具有很好的應用前景。

刮板輸送機；無功補償；變頻驅動

隨著我國煤炭開采自動化的快速發展，煤礦機電設備所占的比重越來越大，機電設備的運行情況與能耗，直接影響企業的經濟效益。刮板輸送機承擔著煤炭運輸的重要任務，是決定綜采工作面產能的關鍵設備，同時又是綜采工作面耗能較多的設備。

刮板輸送機的動力源是兩臺三相異步電動機，現階段刮板輸送機常采用雙速電機驅動，雙速電機驅動系統是由組合開關控制電機先低速起動，起動功率較低，待運轉正常后再轉為高速運行。這種驅動方式起動沖擊較大，容易造成設備損壞，運行過程中電機功率因數不高，有大量線損造成了電能的浪費，同時由于無功功率由發電機通過輸變電設備提供，占用了輸變電設備的容量，增加了設備損耗，降低了設備使用壽命，經濟損失較大。

有些煤礦采用變頻器調速裝置控制電動機的運行，受到散熱與安裝環境的影響，變頻器一般與其他設備一起安裝在系統車上，變頻器運行過程中存在高次諧波較多的問題，高次諧波對輸送線路的壽命和其他設備的正常運行都會產生很大影響；而且變頻器距離電機較遠，在信號傳輸過程中會受到對地電容的影響，對變頻器的控制精度以及其它電子器件都會有影響。因此，將變頻器調速裝置應用在刮板輸送機上的方案難以推廣。

無功補償變頻一體化電機彌補上述兩種電機起動及運行方式的不足，將無功補償裝置與變頻器集成于電機接線腔內部，這種電機可以根據運輸機裝煤量的不同調整轉速與扭矩，保證刮板運輸機的正常運轉，機械上避免了運輸機壓死的情況并降低了斷鏈事故發生率，電氣上避免了對其他設備的干擾并減少了電機繞組燒毀事故，變頻調速和無功補償技術降低了電機能耗，可以大大提高經濟效益。

1 意 義

無功補償變頻一體化電機主要可以解決現階段綜采工作面刮板輸送機驅動方式的兩個問題：1) 電機的功率因數不高造成的電能浪費與設備老化。2) 刮板輸送機電機需要變頻器合理控制電機的轉速與扭矩，但是又沒有合適的位置放置變頻器。現將普通電機功率因數不高及使用變頻器的必要性和局限性的分析如下：

1.1 功率因數較低帶來的問題及解決方法

電力網路中的無功電流造成功率因數下降，產生無功損耗。無功電流返還給電力系統會有以下幾個不利因素：降低發電機有功功率的輸出；降低輸、變電設備的供電能力，造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加，使供電設備容量得不到充分發揮等。據測算，電網中的無功功率一般由兩部分組成：1) 電力輸配電網部分，約占無功總消耗的65%，包括配電線路中的升降變壓器的電抗造成的無功功率等。2) 負荷設備方面，約占無功總消耗的35%，包括大量的低壓配電變壓器及交流感應電動機等。雖然負荷設備的無功消耗只占無功總消耗的35%，但是負荷設備處在供電線路的末端，影響著整個供電網路，造成的線損不少于輸配電網部分產生的線損。因此提高電機的功率因數，對企業經濟效益的提高具有重要意義。

電機功率因數的提高要利用無功補償原理。無功補償是把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。異步電動機作為一種感性元件，要從電網中吸收的不僅是有功還必須有無功，由于無功的存在,電網需要供給電動機更多的電能才能滿足電動機的正常運行。若將電容器直接并聯在電動機接觸器下面或電動機接線端子上(見圖1),電動機所需要的無功電流的大部分仍由并聯電容器供給,將會減少電動機從電網中索取的無功功率，這樣在電網提供同等數量有功功率的前提下，減少了所需提供的無功功率(見圖2)，因為功率因數的提高降低了總功率的消耗，經濟效益顯著提高。

圖1 無功補償接線圖

圖2 異步電動機無功補償示意圖

1.2 變頻器的必要性與局限性

電動機在起動時，電流會比額定高5～6倍，電機硬起動對電網造成嚴重的沖擊，起動時產生的大電流和震動對擋板和閥門的損害極大，降低了設備、管路的使用壽命。使用變頻調速裝置后，利用變頻器的軟起動功能將使起動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電設備容量的要求，延長了設備的使用壽命，節省了維護費用。

變頻器由整流單元、濾波單元、逆變單元構成，具體電路圖見圖3，普通交流電經過整流與濾波后，在逆變單元中根據晶閘管開關頻率的不同，形成不同頻率的電流供給電機，從而達到調速的目的。

圖3 變頻器原理圖

變頻器調速性能好，但是受到器件體積和散熱問題的制約，采煤工作面一般將變頻器放置在設備車上，與組合開關放在一起。變頻器由于內置整流單元和逆變單元，會產生高次諧波和射頻，對組合開關內的其它設備產生電磁波干擾，影響設備正常運行。此外，變頻器和電機在距離上也有一定限制，因為射頻來自變頻器的輸入和輸出電纜，電纜相當于天線。變頻器與電機的距離應當是越近越好，可以減小輸入輸出電纜的對地電容，還可以減少射頻輻射的干擾。因此，變頻器驅動刮板輸送機電機的運行方式難以推廣，制約了煤礦機電設備自動化與智能化的發展。

鑒于普通電機與變頻器都存在著影響經濟效益和生產效率的問題，因此提出將一體化電機應用于刮板輸送機上，徹底解決目前存在的功率因數偏低和變頻干擾等問題。

2 一體化電機原理

無功補償變頻一體化電機是在變頻電機基礎上增加了無功補償的部分，同時將兩者集成起來，既可以更好地驅動電機運行，又能節省電機運行時的能耗，降低線路損耗及設備故障率。

無功補償變頻一體化電機與普通三相異步電動機的機械結構相同，但是擴大了接線腔的體積，將無功補償器與變頻器安裝在接線腔中，通過控制器的閉環控制，共同驅動電機運行。一體化電機對三相異步電動機接線腔的設計進行了更改，結構與普通電機相同，機械安裝孔和外露軸尺寸等都不改變，因此不會影響設備的安裝方式，可以與常用的刮板輸送機減速器進行配套。電機外形結構見圖4.

電機的控制系統綜合利用了無功補償與變頻器變頻原理，將無功補償器與變頻器集成在接線腔中(線路原理圖見圖5)，變頻器與電機的距離大大縮短，避免了因線路過長造成的信號失真，同時不會對其它電子設備產生干擾；無功補償器的存在，提高了電機運行過程中的功率因數，同時削弱了變頻器諧波對設備及線路的影響。一體化電機擁有優異的起、制動和調速性能，而且功率因數高、干擾低、節能效果好，是驅動刮板輸送機較好的方式之一。

圖5 無功補償一體化電機線路原理圖

3 刮板輸送機應用可行性

無功補償變頻一體化電機是在普通三相異步電動機的基礎上進行改造的，接線腔體積稍有增加但是不影響其他設備的安裝與運行，具有安裝在刮板輸送機上的先決條件。理論上分析比較一體化電機與普通三相電機的性能，可以得到一體化電機的優勢如下：

1) 該電機為重型條件設計。采煤工作面的生產能力與輸送機的運輸能力相關，現階段大型綜采工作面一般要求刮板輸送機的運輸能力要達到1 500～3 500 t/h. 有些工作面因為電機高速運行時扭矩過低限制了運輸機的運輸量，從而導致采煤機截割速度降低，無法完全發揮大型采煤機的優勢；有時會出現運輸機滿裝載量停機的問題。對于一般電機來說，存在無法再起動的問題；而一體化電機專為重型條件設計，擁有重載起動的能力，可以在起動時輸出2倍以上的扭矩使刮板輸送機順利運行。

2) 通過軟件調節速度和轉矩。速度調節模式下，以電機速度的實際值進行閉環控制，利用速度調節器引導電流調節器，使電機的轉速始終跟蹤電機設定轉速，此時電機的輸出力矩為保持速度而不斷調整。轉矩調節模式下，變頻器以控制轉矩為目標，根據外部負載情況計算所需電流量，在滿足速度要求的前提下，輸出相應的電流。速度調節模式和轉矩調節模式相互配合，既滿足負載的要求，又能達到節能的目的。

3) 降低了設備的機械應力。一體化電機起動時，會先在設定的起動頻率下運行一段時間，使拖動系統較容易起動，之后再加速運行到穩定頻率，這樣的起動方式可以減緩齒輪間的碰撞、減少對刮板鏈條的拉伸，整個起動過程比較平滑，大大提高了設備的使用壽命。

4) 在兩個驅動之間主動的互載平衡。刮板運輸機都采用機頭機尾雙電機驅動，而機頭機尾在結構上存在一定的差異，在某些運行狀況下，會出現兩臺電機功率嚴重不平衡的狀況，影響了運輸機運行的可靠性。而一體化電機的控制器可以根據電機負載的不同，起動時調整起動時差，運行時合理分配轉矩，使得兩臺電機功率達到平衡，大大提高了系統的可靠性。

5) 起動時可得到最合適的功率，最小的電壓降。普通的大功率刮板輸送機存在一個問題，起動時經常會出現頻繁停機的故障，主要原因是其起動電流過大，線路中消耗的能量過多，導致線路壓降過大，無法起動輸送機。但是使用一體化電機的刮板輸送機起動時可以調整合適的功率，減小壓降，避免了頻繁停機的故障。

6) 更改轉動方向方便。刮板輸送機在運行過程中經常會遇到需要停機倒轉的狀況，普通電機遇到這種情況時需要有人在組合開關上分別將機頭機尾電機的控制手把轉向，然后再重新起動電機，遇到操作不熟練的工人或操作錯誤時，會給系統造成無法挽回的損害。無功補償變頻一體化電機的控制器可以在內部改變電機的轉向，只需要在起動按鈕處選擇反轉即可，既節省了工作時間，又保證了系統的安全性。

7) 高生產效率，低運行成本。電機的起動時間可控制在4 s以內，電機可以長時間保持1 500 r/min的轉速，在高負荷運行過程中還允許較長時間的過載，有利于發揮采煤工作面所有的產能。同時電機的壽命可以達到15年，一般情況下工作18 000 h以上需要大修，而且大修費用僅為新電機費用的15%(一般電機需要新電機的50%).

通過以上比較分析，可以發現無功補償一體化電機的控制系統是根據運輸機裝載量主動控制電機的實際轉速與轉矩，使得運輸機擁有更好的起動與運行特性，在節能的同時提高設備的生產率，經濟性和穩定性都比較好。因此，使用一體化電機驅動刮板輸送機可以擁有很好的效果。

4 配套方式

1 000 kW的一體化電機的配套方式一般由變電站將10 kV電供給兩臺5 MVA的變壓器，由變壓器轉換為1 140 V的低壓送入控制站，線路最終由控制站分別接入一體化電機。控制站對系統運行供電進行著整體控制，其中包括起動控制功能和集中保護控制功能。控制站內部包含多個真空接觸器，另外還有漏電保護裝置、溫度保護裝置、過流過載保護裝置等，系統的整體運行情況會在控制站的顯示屏上進行顯示，操作人員通過顯示屏可以及時了解工作面的運行情況并遠程調整各個設備的運行參數。

通過圖5可以看到，一體化電機僅需要一組電纜接入電機(而普通雙速電機需要高速電纜和低速電纜兩組)，每臺電機都可以節省數百米電纜，經濟效益十分可觀。每臺電機都與外部主機相連接，在調度室就可以實時了解工作面的運行情況，對整體的生產情況進行及時調整部署，向無人值守智能化工作面的目標又前進了一步。

5 應用前景

由于無功補償變頻一體化電機起動平穩、運行可靠，擁有極好的功率因數，節能效果十分可觀，同時綜采工作面因為過載或堆煤而造成的堵轉、燒壞電機的問題可以大大減少，因頻繁起動或者倒轉而造成的斷鏈事故也基本不會發生，增加開機率的同時還降低了能耗，不僅提高了產量，而且具有較大的經濟效益。無功補償一體化電機為采煤工作自動化、智能化提供了新的思路，是一個值得推廣應用的產品，也是未來礦用電機的發展趨勢。

Research on Reactive Power Compensation Variable Frequency Integrated Motor Driving Scraper Conveyer

REN Peiqing, ZHOU Jianjun, MA Yuqing

Scraper conveyer is the key equipment which affects the productivity of mechanized workface, the use of reactive power compensation and frequency conversion integrated motor drive AFC, not only could save energy but also improve the reliability of the AFC. Compares the normal motor and the integrated motor. The integrated motor has the function of reactive power compensation and variable frequency drive, and it is stable and reliable in starting and running with good application prospect.

Scraper conveyer; Reactive power compensation; Variable frequency drive

2017-02-16

任丕清(1963—)，男，山西汾陽人，1985年畢業于山西礦業學院，成績優異高級工程師，主要從事能源環境節能技術研發工作

(E-mail)rpq1221@163.com

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