淺議礦用變頻器發(fā)展歷程及趨勢(shì)

梁劍超

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司一礦，山西陽(yáng)泉 045008）

0 前言

采用變頻調(diào)速方式擁有高的功率因數(shù)，而且在進(jìn)行調(diào)速、啟動(dòng)以及制動(dòng)的過(guò)程中，其性能更為優(yōu)良，正是由于這些優(yōu)勢(shì)，使得變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。之前所采用的變頻器主要為高壓變頻器，其主要的構(gòu)成部件為可控硅整流部件以及可控硅逆變部件等，此種裝置會(huì)產(chǎn)生相對(duì)大的諧波，這會(huì)在很大程度上影響大電網(wǎng)以及電機(jī)的正常運(yùn)行。最近一段時(shí)間內(nèi)，一些新型的變頻器逐漸出現(xiàn)，有效地克服了高壓變頻器的缺點(diǎn)，例如IG?BT變頻器以及SGCT變頻器等，這些變頻器擁有更為優(yōu)異的性能，而且變頻器工作過(guò)程中所產(chǎn)生的諧波非常小，同時(shí)其功率因數(shù)也得以有效提升。

1 國(guó)產(chǎn)礦用變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)很多變頻器生產(chǎn)企業(yè)主要是生產(chǎn)一些低壓變頻裝置，而且變頻器的功率相對(duì)較低，很少有企業(yè)生產(chǎn)高壓變頻裝置。而可以研發(fā)、制造同時(shí)提供一些列服務(wù)的高壓變頻裝置企業(yè)更是少之又少[1]。目前，我國(guó)關(guān)于中壓電機(jī)以及高壓電機(jī)的變頻改造工作依舊處于起步階段，改造數(shù)量還是依舊較少。國(guó)內(nèi)高壓變頻裝置無(wú)論在品種方面還是在性能方面等，均處在起步時(shí)期，還有大量的高壓變頻裝置要依賴于進(jìn)口[2]。高壓變頻裝置的發(fā)展現(xiàn)狀主要體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

（1）很多國(guó)外大型企業(yè)快速占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)的高壓變頻裝置市場(chǎng)，而且逐漸實(shí)現(xiàn)了本地化發(fā)展；

（2）我國(guó)企業(yè)的自主研發(fā)以及創(chuàng)新能力相對(duì)較弱，而且未能形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模；

（3）國(guó)內(nèi)企業(yè)所生產(chǎn)的高壓變頻裝置相對(duì)來(lái)說(shuō)功率均不太高，大部分都在3 500 kW以下；

（4）我國(guó)還未建立統(tǒng)一且規(guī)范化的高壓變頻裝置標(biāo)準(zhǔn)；

（5）相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展也較為滯后；

（6）在生產(chǎn)變頻器的過(guò)程中，所需一些核心部件，例如功率半導(dǎo)體以及電解電容等，均需要依靠進(jìn)口。

2 礦用變頻器的未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)

交流變頻調(diào)速技術(shù)屬于強(qiáng)弱電混合調(diào)速技術(shù)，其不僅需要完成電能轉(zhuǎn)換整流工作以及逆變工作，同時(shí)還對(duì)收集的各種數(shù)據(jù)信息加以變換以及傳輸，所以，變頻器的內(nèi)部也會(huì)劃分成為功率部分以及控制部分。功率部分主要是為了有效地處理與電流有關(guān)的相關(guān)問(wèn)題，而控制部分主要是處理與軟件控制和硬件控制有關(guān)的問(wèn)題[3]。所以，在今后的發(fā)展過(guò)程中，高壓變頻裝置也會(huì)依照這兩個(gè)方向而不斷發(fā)展：

（1）變頻裝置未來(lái)會(huì)不斷向著大功率化以及小型化發(fā)展；

（2）一些能夠承受更高電壓以及更大電流的電力半導(dǎo)體器件會(huì)逐漸地應(yīng)用到變頻器裝置之中；

（3）未來(lái)無(wú)速度傳感裝置之中矢量控制技術(shù)、磁通控制技術(shù)以及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)等會(huì)越來(lái)越成熟，而且應(yīng)用也會(huì)更為廣泛。

3 基于變頻器裝置的礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在河?xùn)|煤礦中的應(yīng)用

3.1 變頗器原理

在進(jìn)行變頻調(diào)速的過(guò)程中，其實(shí)質(zhì)上是變化電子繞組供電頻率值，而且實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。在變頻器裝置運(yùn)行過(guò)程中，其能夠?qū)㈦妷簽?80 V的市電，利用整流裝置而轉(zhuǎn)變成平滑的直流電，再應(yīng)用GTO或者是IGBT等半導(dǎo)體元件，把直流電轉(zhuǎn)換為能夠改變電壓以及頻率的交流電，再利用正弦脈寬調(diào)制裝置，確保輸出的波形類(lèi)似與正弦波，并利用轉(zhuǎn)變之后的電流作為電動(dòng)機(jī)的輸入電流，這樣便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速目標(biāo)[4]。目前所使用的變頻器裝置工作原理基本一樣，具體原理圖如圖1所示。

圖1 變頻器結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

為了能夠進(jìn)一步地增加提升設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的安全系數(shù)，在進(jìn)行變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改造的過(guò)程中，將之前的電氣控制系統(tǒng)依舊保留下來(lái)，將主控制臺(tái)之中的一些PLC控制程序加以適當(dāng)調(diào)整，確保控制程序能夠與新系統(tǒng)以及舊系統(tǒng)相互融合，這樣就能夠確保兩個(gè)控制系統(tǒng)可以互為備用，老系統(tǒng)便能夠作為系統(tǒng)的冗余。控制系統(tǒng)改造之后的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 工、變頻切換示意圖

在控制現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)6 kV雙路供電高壓開(kāi)關(guān)柜裝置，從而確保變頻裝置能夠獲所需電源。高壓變頻器的連接形式設(shè)計(jì)成一拖二形式，同時(shí)在電機(jī)裝置以及減速機(jī)裝置的軸端位置處均設(shè)置具有較高精度的編碼器部件[5]。另外，還設(shè)置有兩個(gè)工頻與變頻的手動(dòng)切換柜，以便實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)和舊系統(tǒng)之間的運(yùn)行切換工作。

在提升機(jī)設(shè)備處在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，提升設(shè)備在調(diào)速系統(tǒng)控制之下運(yùn)轉(zhuǎn)，而若是變頻調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)了一些故障，或者是提升設(shè)備需要檢修情況下，便可以利用切換柜或者是利用主控臺(tái)，將提升機(jī)系統(tǒng)切換至工頻的運(yùn)行狀態(tài)之下，而且在切換的過(guò)程中操作非常便捷。K1為隔離開(kāi)關(guān)，和電源與變頻器裝置相互連接；K3也為隔離開(kāi)關(guān)，其與電動(dòng)機(jī)和變頻器裝置相互連接；K2的其中一端和工頻操系統(tǒng)之中換相器相互連接，另外的一端則通過(guò)電動(dòng)機(jī)裝置而和工頻輸出相互連接。K1、K2以及K3之間的關(guān)系為互鎖關(guān)系[6]。開(kāi)關(guān)K4屬于單刀雙擲類(lèi)型開(kāi)關(guān)，利用K4便能夠完成工頻運(yùn)行模式與變頻運(yùn)行模式之間的相互切換。

在提升設(shè)備處于變頻調(diào)速控制情況之下，其中K1以及K3會(huì)閉合，從而將變頻器裝置和電動(dòng)機(jī)導(dǎo)通，而和K1與K3互鎖的K2此時(shí)則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，這樣便確保了老系統(tǒng)之中的工頻控制電路被切斷。此時(shí)K4則處在變頻工作的一端，在對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的過(guò)程中，主要是利用改變輸入電流的頻率從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[7]。

4 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在河?xùn)|煤礦中的運(yùn)行效果

在對(duì)控制系統(tǒng)加以全面的改進(jìn)之后，利用變頻器裝置對(duì)提升設(shè)備進(jìn)行調(diào)速控制，使得提升設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中表現(xiàn)出了以下優(yōu)勢(shì)：

（1）提升系統(tǒng)的能耗數(shù)量更小。改變了之前通過(guò)串聯(lián)電阻的方式進(jìn)行提升機(jī)調(diào)速，能夠有效減少電能消耗。結(jié)合河?xùn)|煤礦的實(shí)際應(yīng)用效果，河?xùn)|煤礦在2017年的1月至11月期間，主井提升機(jī)系統(tǒng)每個(gè)月的能耗均值為284 234 kWh，應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)之后平均節(jié)能效率達(dá)到30%，用電價(jià)格按照0.5元計(jì)算，則平均每年可以節(jié)約電費(fèi)為：284234×12×30%×0.5=511621元。

（2）進(jìn)一步地改進(jìn)提升設(shè)備運(yùn)行效率。在經(jīng)過(guò)變頻控制優(yōu)化改造以后，提升設(shè)備依照實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)好的速度圖實(shí)際運(yùn)行，則能夠確保提升設(shè)備的循環(huán)時(shí)間從之前2 min縮減至1.5 min，能夠確保提升設(shè)備的效率增加33%左右。這樣不僅可以保證煤礦生產(chǎn)之中可以在規(guī)定時(shí)間之內(nèi)完成計(jì)劃任務(wù)，同時(shí)還可以擁有更多時(shí)間用于設(shè)備的檢修與維護(hù)。

（3）提升機(jī)系統(tǒng)擁有更好的安全性。在對(duì)提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造之后，提升機(jī)設(shè)備能夠按照事先預(yù)設(shè)的速度完成自動(dòng)運(yùn)行工作，通過(guò)利用變頻器裝置而實(shí)現(xiàn)了電力制動(dòng)，僅僅要求提升機(jī)設(shè)備的司機(jī)在提升機(jī)設(shè)備停止運(yùn)行之中施閘定車(chē)即可，這樣便能夠確保提升機(jī)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中更加平穩(wěn)與可靠[8]。

（4）確保提升機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀況得以有效改善。在加設(shè)了變頻器以后，使得提升機(jī)設(shè)備的電壓以及頻率等均能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)操作，使得提升機(jī)設(shè)備在啟動(dòng)過(guò)程中以及加速過(guò)程中均不會(huì)出現(xiàn)電流沖擊問(wèn)題。而且，采用變頻器調(diào)速代替電阻調(diào)速，可以確保電子轉(zhuǎn)子的溫度升高顯著減少，這樣便能夠保障設(shè)備更加穩(wěn)定與安全的運(yùn)行。

（5）采用變頻器對(duì)提升機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制之后，能夠?qū)⑻嵘龣C(jī)的速率設(shè)定在0～2 m∕s范圍之中，無(wú)需人工操作便可以達(dá)到低速運(yùn)行的目的，從而可以在低速下開(kāi)展檢修工作。

在應(yīng)用變頻器裝置之后，可以顯著提升高河煤礦主提升機(jī)設(shè)備運(yùn)行的安全性以及可靠性，而且還擁有極大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)階段交流變頻技術(shù)快速的發(fā)展，并且結(jié)合目前煤礦生產(chǎn)中對(duì)于提升設(shè)備相關(guān)需求，目前基于變頻器的提升設(shè)備控制系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而在提升設(shè)備的控制過(guò)程中，交流拖動(dòng)的方式要較直流拖動(dòng)的方式擁有更為優(yōu)良的性能。在未來(lái)，交流變頻技術(shù)不斷發(fā)展與革新的過(guò)程中，基于變頻器的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也定會(huì)越來(lái)越成熟，將其應(yīng)用在煤礦提升系統(tǒng)的改造工作之中，能夠進(jìn)一步的增加系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性，這也是未來(lái)變頻器在煤礦之中應(yīng)用的趨勢(shì)。