淺析煤礦主井提升電機冷卻系統的變頻調速技術改造

王建文

摘要：本文從一般變頻調速技術的原理入手，分析介紹了煤礦主提升機冷卻系統存在的問題，提出了改進方法，最后敘述了改進后的效果。

關鍵詞：煤礦提升機;電機冷卻;問題;改進

煤礦主提升機一般都是礦井的最大電力拖動設備，運行期間要消耗大量的電能，特別是在炎熱的夏季，電動機自身的散熱就成了一個大問題。如果不及時做好散熱，那么就容易損壞電動機，提升系統的正常運行就受到了影響。對大型電動機的散熱，有的安裝局扇，有的則安裝專用冷卻系統。然而，對于這些專門的冷卻設備來說，其長時間的連續運行，不但耗電量大，且還容易損壞，使得冷卻保障性也不可靠。為此，為了節約用電，增加冷卻系統的運行可靠性，對此提出了恒溫變頻調速改造的方案，這樣前述問題也就迎刃而解了。本文在此，就煤礦主提升機冷卻系統實施恒溫變頻調速改造的相關問題進行研究探討，以期對同行們進行參考。

1 一般變頻調速的基本原理

由于變極調速在調頻范圍、靜態精度、動態品質、系統效率、完善的保護功能和容易實現自動控制以及過程控制等方面，都比以往的變極調速、調壓調速、串級調速、滑差調速和液力耦合器調速等具有較大的優勢，也是公認的交流電動機最理想最有前途的調速方案，也代表著今后電氣傳動的發展方向。現對幾種調速裝置的性能加以分析比較。

1）變極調速的原理。該調速適用不要求平滑、連續和頻繁調速的鼠籠型異步電動機。它是通過改變異步電動機定子繞組的極對數p，使電機同步轉速n0改變（n0=60f/p，f為電網頻率），以達到調速目的。優點：轉差率小，轉差損耗少，使用維護方便。缺點：不能有級和平滑調速，且級差較大。

2）串級調速的原理。在繞線式異步電動機的轉子電路中串入一個與轉子電勢頻率相同、相位相反的附加電勢，通過改變轉差率調節電機轉速。串級調速裝置可將轉差功率轉化為機械能加到負載。優點：效率較高，節電效果好;調速裝置的容量與調速范圍成正比，范圍小時裝置容量也小，成本也較低。缺點：可控硅串級調速功率因數低，且產生高次諧波，對電網有污染;內反饋串級調速需采用特制的內反饋繞線式電機，還要對繞線式異步電機進行改造。串級調速只適用于調速范圍不大（70%～95%）的繞線式異步電機。

3）定子調壓調速的原理。通過改變加在異步電機定子端的電壓，使電機的機械特性發生變化，轉差率變化，轉速也將改變。優點：線路簡單，運行比較可靠;調壓裝置體積小;使用維護簡單;便于自動控制和遠程操作。缺點：低速時轉差功率損耗大，效率低;調速特性軟;產生高次諧波，對電網有污染，對電機有影響。比較適用于大容量繞線式異步電機。

4）液力耦合器的調速原理。它適用于大功率、高轉速的鼠籠式轉子異步電機。液力耦合器是通過油在泵輪（電動機側）和渦輪（負載側）中的循環流動，泵輪將輸入的機械能轉化為油的動能和勢能，渦輪則將該能轉換為輸出的機械能，以實現功率的傳遞。通過勺管調節油的循環量以調節渦輪轉速。液力耦合器安裝在電機與負載之間。可在電機轉速恒定的情況下，無級調節風機的轉速。優點：功率適應范圍大，可以滿足10～10000KW不同功率的需要;結構簡單，改造投資不大;可空載起動，無高次諧波，對電網也無影響;調速范圍為20%～97%，可以隔離電機和泵的振動，并緩和沖擊。缺點：有滑差損失，屬低效調速裝置;滑差功率損耗變為油的熱量使油溫升高，需要冷卻設備;低速、小功率的液力耦合器造價也高;效率低，其效率與轉差成反比;液力耦合器達不到電機額定轉速;調速精度差，且不穩定。

現大量使用的變頻調速，就是利用變頻器通過改變頻率實現自動調節、調速的。它也是變極調速發展的高層次階段產品。

2 提升機電機冷卻系統的現狀和存在的問題

某礦主井提升機電機為2300KW大型直流電機。電機通過軸流風機冷卻，風機電機功率為75KW。為確保主電機冷卻效果，系統設計時冷卻風機采用恒轉速直接啟動方式來對主電機進行供風。在后期的日常維護過程中發現，在冬季設備運行時，溫度較低，在確保主電機溫度在正常范圍內的情況下，要求的供風量較低，而由于冷卻風機采用恒轉速運轉，供風量常年維持在最高水平。顯然大大降低了設備的利用效率，設備運行的經濟性也不高。另外，由于冷卻風機采用直接啟動方式，電機的啟動電流為額定電流的5-7倍。在如此大的電流沖擊下，接觸器和電機的使用壽命大大降低，且啟動時的機械沖擊也容易對風機軸承、扇葉、風道等造成損壞。同時，噪聲大，能耗又高等。為解決這一問題迫切需要尋求一種方式來降低電機啟動電流，以降低能耗，減少設備的損壞率。

3 提升機電機冷卻系統的改進方法

為了解決上述問題，通過先期的系統模擬，設計出了一套閉環自動控制系統。通過該系統能保證風機轉速調節的及時性和準確性。該系統是基于反饋原理建立的自動控制系統。即根據系統輸出變化的信息進行控制，通過比較系統行為（輸出）與期望行為之間的偏差，再消除偏差以獲得預期的系統性能，且抗干擾能力也強。

項目通過主提升電機內的溫度傳感器采集信號，傳輸至PID控制器的輸入端。經采集的信號在PID控制器內與原設定值進行比較，利用差分信號控制變頻器的輸出頻率，調節冷卻風機的轉速，以改變供風量，最終實現保證主提升電機在可靠的溫度下運行。保證設備的安全、可靠運轉。此次改造共使用PID控制器一臺、變頻器一臺（帶電抗器）、控制柜一臺、交流接觸器兩臺和電纜若干。

4 提升機電機冷卻系統的改進后效果

項目實現后，可根據主電機的內部溫度實時通過調整冷卻風機轉速來改變供風量，有效的提高冷卻風機的運行效率，節能效果顯著。另外，項目實現后因風機運行效率提高，可有效的延長風機的使用壽命。在原有系統不變的情況下，增加該系統，即冷卻風機有兩種運行方式：變頻自動運行、工頻自動運行，在系統出現故障時，可自動切換至工頻運行。大大提高了系統運行的安全性、可靠性。

總之，該礦主提升電機的冷卻系統經過實施變頻調速技術改造以后，有效解決了散熱性能不好、運行不可靠和耗電量大的系列問題，大大促進了主提升系統的安全高效運行，取得了顯著的社會經濟效益。

參考文獻

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