大功率變頻器在煤炭生產中的應用與展望

李曉林

（神華神東煤炭集團 機電管理部，陜西 榆林 719315）

0 引言

在經濟全球化的影響下，社會對能源的需求也隨之增加，能源的過度開采、能源的浪費使用及對于能源的分配和使用效率較低的現狀受到我國政府的高度重視。煤炭行業作為能源的主要的支柱，也存在這同樣的問題。眾所周知，煤炭行業的耗電量極大，用電成本占據了其開采成本的很大比例，隨著煤炭行業生產力的不斷加大，煤礦逐漸向大型化、規模化方向發展，其生產設備也變得自動化，大功率化，部分設備的使用功率也逐漸提升到1140V、3300V甚至更大。生產設備對電能的需求越大意味著會有很大部分的電能會被浪費，這樣大大的提升了煤炭的生產成本，節約電能已經成為煤炭行業需要解決的重要問題。大功率的變頻器的使用很好的解決了現有的問題，很大程度上解決了電能的浪費問題。在煤礦中的通風機、膠帶機、主提升機、刮板運輸機等設備上用用變頻器，都會提高設備性能，改善工作條件，提高使用效率。隨著我國科技的不斷進步，利用大功率變頻器能夠改造煤炭行業、減少生產成本、創造效益，由于大功率變頻器的對煤炭行業的特殊作用，使得變頻器已經被各大煤礦廣泛的應用。

1 大功率變頻器的工作原理與分類

變頻器是利用電子器件的接通與斷開的作用，將工作電能頻率變換為特定的使用頻率的裝置。大功率變頻器主要控制器、冷卻器和處理器等組成。控制器主要包括主電路和主電路，主電路包括整流器、濾波回路、逆變器和制動單元，整流器的功能是把工頻電壓變換為直流電壓，其功率的傳送是不可逆的，也就是說只能實現一個方向的變化，不能將直流電源變化為工頻電源；濾波回路的功能是抑制整流器和逆變器中的直流電壓產生波動；逆變器的作用與整流器相反，其功能是在在一定時間范圍內，將控制開關有規律的開啟和關閉，將現有的直流功率轉變為生產設備所需的交流輸出功率；異步電機在運行時會有再生能量的產生，制動單元的功能是消耗額外的多余功率，避免回路電壓指數超過最大值。變頻器的中的器件工作效率都是在一定溫度內的達到最佳效果，冷卻器的功能是防止變頻器內溫度過高，降低工作溫度。

隨著我國各行業對大功率變頻器的廣泛使用，市場上也銷售著各種不同形式的變頻器。根據不同的性能可以分為不同的變頻器，根據輸出電壓的不同可以分為低壓變頻器、中壓變頻器和高壓變頻器，輸出電壓在1-500V為低壓變頻器，輸出電壓在500-10000V為中壓變頻器，輸出電壓在10000V以上的為高壓變頻器。根據電路形式可分為雙交型變頻器和交變交型變頻器，雙交變頻器的特點是效率高，電壓做得很高，且容量大，但這種變頻器輸出頻率較低；交變交變頻器主電路部分主要包括交流輸入整流、平滑濾波和三相逆變電路三部分，在整流與逆變之間采用大電感作為中間直接濾波環節，組成電流源型變頻器，在大型煤炭行業應用較為廣泛。

2 大功率變頻器在煤炭生產中的應用必要性

隨著我國煤炭能源的需求增加，對煤礦的開采也逐漸加大，目前，我國的大小煤礦有兩萬多個，其中國有的大型煤礦有五千多個，大部分煤礦是在建國初期就已經開采，生產設備相對落后，設備運行時的耗電量太大，而且有部分電量都被浪費。由于煤礦的的建設時的工藝要求差異與煤礦的開采量范圍較廣，使得生產設備長期低負載、低效率工作。在煤礦行業中許多設備都需要大功率的變頻器，以此調整啟動電流、減小電能消耗，提高生產效率，增加設備的使用壽命，比如初期煤炭開采中使用的通風機，通風機總是被調整到使用的最大風力和風量，以達到最大距離的使用，而這樣很大程度浪費電能成為普遍現象，而使用大功率變頻器后，根據不同的使用距離，通過變頻調速調整到相應的風力和風向。由此可以看出，大功率變頻器避免了煤礦行業的電能浪費，減少生產成本。另外變頻器還大量應用于膠帶機驅動，目前使用的500kW變頻器用于控制膠帶機啟動已趨于成熟，1000kW及以上變頻器也逐步開始應用。應用在刮板運輸機上的變頻器、電機一體機容量已達到1200kW，實現了刮板機的軟啟動和變頻調速。

3 大功率變頻器在煤炭生產中的應用與優勢

煤礦中的生產設備可分為固定設備、采掘設備、運輸設備等。固定設備由通風機、排水泵和礦井提升機等組成；采掘設備由采煤機、刮板運輸機、轉載機、破碎機、液壓支架、泵站、連采機、掘進機、掘錨機及后配套設備等組成；運輸設備由膠帶機、破碎機、防爆車輛、特種車輛等設備組成。隨著煤炭行業的改造，其對生產設備的要求也逐漸加大，要求生產設備工作穩定性強、能自主節約能源、便于維護與維修等，大功率變頻器應用在煤炭設備中具有許多優勢。

3.1 大功率變頻器在通風機的應用

主通風機是煤礦開采中重要的安全設備，它負責開采過程中的通風工作，是所有開采工作人員和煤礦安全的綜合保障，對高瓦斯礦井尤為重要。隨著煤礦設計產能的提高，許多大型煤礦的年產量達到1000萬噸以上，主通風機容量達到500kW以上，但主通風機采用直接啟動方式，這種啟動的優點裝置簡便、設備成本較低，但是這種啟動方式將會對電網造成巨大電流沖擊，嚴重破壞了礦井供電安全性能。這種啟動方式，主通風機的驅動電機電流并不是線性的，通常啟動電流是額定電流的4-7倍，若頻繁啟動對電機傷害較大，在通風阻力復核較大情況下易發生堵轉情況，且常常會受到自然變化和電網波動的影響，抗干擾能力很弱，不能滿足現在生產的需求。通風機的控制電路并不是閉環控制，不能自動的完成風力和風向的調節，無法保證地下開采通風的穩定行，造成了嚴重的電能浪費。與此同時，為了工作人員與礦井的安全，通風機始終保持大功率工作狀態，這樣增大了通風機的機械磨損、減少了通風機的使用壽命、大大的降低了運行和工作效率。隨著煤炭開采范圍不斷增加、煤炭巖層的不斷延伸，風量和風壓需求增加，必須通過調整風葉角度來調節，調整時間較長，期間造成單風機運轉，對煤礦通風安全帶來隱患，且按照風葉刻度調整對風量、負壓不易掌握，不能滿足生產的使用要求。大功率變頻器在通風機上的應用使得面臨的問題得到有效的解決，具體的優勢主要表現在：

（1）提高了礦產與人員的安全性。主通風機利用變頻器的變頻技術實現了控制系統的閉環調節，實現了通風機的軟啟動，使通風機的啟動電流位于線性工作狀態，避免了由于通風機啟動時產生的瞬間高強電流對電網的沖擊，很大程度上提高使用的安全性，為工作人員與煤礦提供了有力的安全保障。

（2）變頻節能，減少生產成本。變頻器應用于主通風機后，工作人員可以根據不同的季節、不同的工作距離，調節主通風機的風力、風壓，大大的提高了電能的使用效率。同時，避免了通風機一直大功率工作狀態，節約了電能，減少了生產成本，提高了經濟效益。

（3）提高了設備的穩定性。通風機進行變頻改造后，減少了電能的損耗、降低了電機啟動電流沖擊，避免了通風機的超負荷工作，大大的降低了通風機內部的機械磨損，降低通風機的維修費用，增加了通風機的設備的穩定性和使用壽命。

3.2 大功率變頻器在膠帶輸送機上的應用

膠帶運輸機是煤炭運輸中重要的設備之一，其負責煤炭從地下向地上的運輸，膠帶機的工作效率極大的影響著煤炭的生產效率。目前的煤炭行業中，膠帶運輸機的啟動方式有直接啟動、液力偶合啟動、交流變頻啟動等多種方式，由于膠帶運輸機的皮帶是一個彈性體，其內部儲存很大的彈性勢能，如果采用直接啟動的方式，皮帶內部儲存的能量會隨著皮帶的張力很快釋放出去，如此大的能量會對運輸機的機架和傳動系統造成很大的振動和破壞，嚴重時會發生斷帶、驅動滾筒與帶面打滑冒煙等事故。利用液力偶合器雖然能解決運輸機軟啟動的難題，但是液力偶合啟動時，耦合器內部液體參與摩擦，造成耦合器內部高溫，頻繁啟動易造成易融片融化，且對液體介質的清潔度要求較高。目前在膠帶機上廣泛使用的CST也類似此。另外對于多電機驅動的膠帶機，液力耦合器或CST對于扭矩的分配不容易實現，無法做到功率平衡，影響設備運行穩定性。將大功率變頻器應用到膠帶運輸機中，會很好的解決目前存在的許多問題，在神東公司已將變頻器成功應用于連采膠帶機，使160kW變頻雙驅動膠帶機鋪設長度達到了3200米，并成功在主運輸系統上應用了1000kW的大功率變頻器，拉運長度達到7000米以上。變頻驅動膠帶機的具體的優勢表現于：

（1）加強膠帶運輸機設備的可靠性。大功率變頻器的應用真正的實現了膠帶運輸機的軟啟動，電機的低速運轉帶動皮帶緩慢啟動，避免了皮帶內部能量的快速釋放，使皮帶產生的張力很小，對皮帶造成很小的傷害，延長了皮帶的使用壽命。而且軟啟動會減小電流的沖擊，很大程度上增加了膠帶運輸機的穩定性和可靠性。

（2）加大了對膠帶運輸機的功率分配。隨著煤炭開采不斷加深。在煤炭的運輸中的功率也不斷加大，變頻器的應用很好的解決了多電機的使用功率分配，很好的實現了運輸機的同步性。通過改變變頻器之間的速度來調整電機之間的電流差值的大小，從而實現電機的功率分配。

（3）節約能量，避免浪費，提高效益。通過大功率變頻器對膠帶運輸機的電機自動調速，合理的電機功率分配，避免了過多的電能消耗；對電機的軟啟動，減少了皮帶的損耗，降低了設備的維修費用，從根本上節約能量，減少了生產成本，提高了煤礦行業的經濟效益。

3.3 大功率變頻器在煤礦提升機的應用

提升機是地下采礦和地上操作的連接紐帶，其主要功能是完成工作人員、生產設備、工作材料和礦產的上下運送，提升機的良好工作對煤礦生產起著至關重要的作用。由于煤礦中的提升機的控制系統相對落后，控制精度比較差，在加減速階段的速度控制性能不好，特別在負重變動時很難完成持續減速操作，經常會有意外事故的發生，提升機頻繁的工作過程會使調速設備有嚴重的消耗，提升機內部器械容易損壞，提高了維護費用。使用變頻器后的提升機解決了這些問題，主要優勢表現在：

（1）提高了提升機的運動精度。變頻器內部采用矢量閉環控制，控制精度高，能很好控制提升機的加減速過程，方便地控制機械傳動的正向、反向和變速運行，避免了過卷和過放事故的發生。

（2）增強了提升機設備的穩定性和安全性。提升機是以電極轉動，帶到鋼絲繩在礦井中上下運動，完成輸送任務。提升機安裝變頻器后使得設備機械性硬，啟動力矩較大，滿足重載啟動的要求，避免鋼絲繩的斷裂，從而增強了設備的穩定性和安全性。

3.4 大功率變頻器在刮板運輸機上的應用

刮板運輸機是綜采工作面的主要運輸設備，其穩定性決定著綜采工作面乃至全礦井的產量和效益，傳統刮板機均采用液力耦合器或CST軟啟動。目前神東公司最大的刮板機是3*1600kW驅動，隨著刮板機功率的增加，使用液力耦合器或CST產生的摩擦熱量越來越大，故障率也曾上升趨勢，至2009年以來，陸續采購3*1000kW變頻三機、3*1200kW變頻三機并將3*1600kW三機改造為變頻三機，使用效果良好，變頻刮板機的主要優勢在于：

（1）變頻控制可調速運行，調速范圍較液力耦合器或CST更大、更方便，在低運量或空載時低速運行可達到節能的目的，液力耦合器或CST在刮板機上只用作軟啟動，調速操作復雜不易行。

（2）液力耦合器或CST用液力傳動或控制摩擦傳動，所以短時間內頻繁啟動可能導致高溫，變頻軟啟動無機械摩擦，可在刮板機“壓死”時頻繁停車、啟動，可快速恢復生產。

（3）液力耦合器或CST雖然是“軟”連接，電動機輸出功率可做到大致平衡，但實際上各驅動鏈輪獲得的轉矩是有差別的，且無法實現閉環控制，影響電機、聯軸器、鏈輪、鏈條等機械件的使用壽命，變頻器可做到啟動扭力平衡，運行功率平衡，實現電流、速度的閉環控制，不會出現連接齒套與輸入、輸出軸端“刷圈”，有效避免斷鏈事故發生。

（4）變頻驅動后期運行和維護成本低，CST需要定期化驗液壓油，并更換液壓油，離合器片也是易損件。

（5）變頻啟動對電機沖擊小，啟動電流小于電機額定電流，采用液力耦合器或CST軟啟動瞬時電機電流約為額定電流的5-7倍。

4 大功率變頻器在煤礦行業應用存在的問題

隨著科研技術水平的提高，煤炭生產中對大功率變頻器的應用已經十分廣泛，取得很大的進步和良好的經濟效益，但仍存在以下幾點問題：

（1）在煤炭開采中，礦下的環境是潮濕、陰暗、多煤塵的，在主進風巷道中應用的變頻器都為礦用一般型，防潮、防爆等級不夠，這很大程度影響了生產的安全性。變頻器長期處于潮濕、多塵的環境中，嚴重影響變頻器的使用性能。在井下其他巷道中的變頻器雖然使用了礦用隔爆型，但是由于隔爆箱體的應用，導致變頻器散熱能力較差，易出現高溫老化，影響使用壽面。

（2）在煤炭生產中，交-直-交型主電路的變頻器應用最為廣泛，在電動機中定子繞組中有電感，而電感有持流作用，這就決定著在大功率變頻器工作過程中，會對其他的生產設備有一定的電磁干擾。并產生諧波污染反饋到電網，這會對煤礦供電質量和用電設備安全帶來很大的影響，有效措施有待于進一步探索。

（3）我國的變頻技術已經取得十足的進步，但是在壓變頻器的技術性能、可靠性、穩定性和控制技術等方面與國外技術還有一定的差距，核心器件如IGBT等在我國并沒有形成統一的生產線，所以大功率變頻器的價格較高。

5 大頻率變頻器在煤炭生產中的展望

隨著我國經濟技術的發展，我國逐漸建設節約環保型社會，人們也開始更多地關注生態環境的變化，大功率變頻器擁有較好的節能效果已經應用到礦產生產的各個行業，有著廣泛的應用前景，但是我國生產的大功率變頻器與國外相比仍有一定的差距，我國大功率變頻器的發展方向大致表現在以下幾方面：

（1）努力更新變頻器的控制電路，使控制電路逐步走向智能化、自動化和模塊化，使電路的內部器件損耗減小，提高整體使用性能，而且會有很高的動態響應和抗過載能力。

（2）將變頻器配置系統化和網絡化，這樣可以提高控制精度，也能夠實現遠程控制，網絡化可以通過網絡檢測變頻器的內部故障，觀察其內部的性能參數。在工作環境惡劣或者無人值守的工況中，可以隨時完成變頻器的故障診斷和分析。

（3）目前我國的變頻器并沒有實現專業化和規模化生產，尤其核心器件IGBT仍然依賴進口，沒有較好的電子配套行業。從而導致我國大功率變頻器設備價格較高，應用效果不好，要通過自我創新，系統化、規模化的生產出適合我國各行業使用的變頻器。

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