機(jī)電設(shè)備中高壓變頻器的選型分析及應(yīng)用研究

宋青東 李明 高俊梅

[摘 ? ?要 ]對于煤礦行業(yè)機(jī)電設(shè)備的整體發(fā)展而言，高壓變頻器發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用。同時，隨著科技的不斷發(fā)展，也相應(yīng)拓寬了高壓變頻器的應(yīng)用范圍。為了讓煤礦的產(chǎn)量得到切實(shí)提升，要求積極展開對于煤礦企業(yè)機(jī)電設(shè)備的研究，不斷優(yōu)化和改造煤礦機(jī)電設(shè)備的性能。為此，將以高壓變頻器為例展開分析，借助對于高壓變頻器選型及應(yīng)用的深入分析，實(shí)現(xiàn)對于機(jī)電設(shè)備的有效優(yōu)化，以促進(jìn)煤礦行業(yè)產(chǎn)量提升，切實(shí)推動煤礦企業(yè)的長久發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]機(jī)電設(shè)備;高壓變頻器;選型分析

[中圖分類號]TM921.51 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–00–03

[Abstract]For the overall development of electromechanical equipment in the coal mine industry， high-voltage inverters play a very critical role. At the same time， with the continuous development of technology， the application range of high-voltage inverters has been correspondingly expanded. In order to increase the output of coal mines， it is required to actively carry out research on the electromechanical equipment of coal mine enterprises， and continuously optimize and transform the performance of coal mine electromechanical equipment. To this end， the analysis will take the high-voltage inverter as an example， and with the in-depth analysis of the selection and application of the high-voltage inverter， the effective optimization of electromechanical equipment will be realized， so as to promote the increase of coal industry output and effectively promote the long-term development of coal enterprises.

[Keywords]electromechanical equipment; high-voltage inverter; selection analysis

我國煤礦行業(yè)機(jī)電設(shè)備電能資源浪費(fèi)、調(diào)速方式落后的問題十分嚴(yán)峻，對煤礦機(jī)電設(shè)備的使用年限造成了極大的限制。為更好應(yīng)對此類問題，讓能源的損耗量得到有效控制，需要積極展開對高壓變頻器的選型應(yīng)用研究。

1 高壓變頻器原理與選型

1.1 高壓變頻器原理

高壓變頻器作為一種控制儀器，其主要工作原理：充分利用電力半導(dǎo)體的性質(zhì)進(jìn)行控制，通過自動化的通斷作用，讓設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)在不同頻率之間的自由轉(zhuǎn)換。該儀器具有諸多類型，可以按照相應(yīng)的分類標(biāo)準(zhǔn)將其進(jìn)行劃分。高壓變頻器工作原理如圖1所示，一般可以將高壓變頻器分成三種不同結(jié)構(gòu)：也即變壓器柜，功率柜和控制柜。其中功率柜一般由三組不同的功率單元構(gòu)成，其主要功能為電壓輸出，根據(jù)功率等級的不同為其配置相應(yīng)等級的電壓;變壓器柜則主要負(fù)責(zé)為功率柜內(nèi)部功率單元進(jìn)行能量輸送;至于控制柜，則需要針對功率柜的功率進(jìn)行持續(xù)化的調(diào)整，通過逆變控制和檢測處理的形式保障高壓變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)良好的設(shè)備控制效果。

1.2 高壓變頻器選型

1.2.1 按照功率進(jìn)行選型

以功率為依據(jù)進(jìn)行高壓變頻器選擇，要求重點(diǎn)關(guān)注以下問題。

（1）需要充分關(guān)注電機(jī)的功率，盡量選擇功率與電機(jī)功率相契合的變頻器，以充分保障高壓變頻器的運(yùn)行效率。

（2）一旦無法將高壓變頻器的功率和電機(jī)的功率控制在相同的分級范圍內(nèi)，則需將變頻器的功率保持在與電機(jī)功率相近的范疇內(nèi)，同時要求將變頻器功率控制在比電機(jī)功率稍大的界限上。

（3）對于長期處于制動運(yùn)行狀態(tài)之中的電機(jī)，為更好適應(yīng)其反復(fù)啟動和重載的問題，要求為其配備功率相對較大的變頻器，以保障變頻器運(yùn)行的穩(wěn)定性，切實(shí)提升變頻器運(yùn)行過程中的安全性。

（4）如果在檢測后發(fā)現(xiàn)電機(jī)的功率仍然留有很大的設(shè)備運(yùn)行空間，則可以選用功率相對較小的變頻器。但是在此過程中需要充分關(guān)注瞬時峰值電流，避免對過電流造成過多的保護(hù)動作。

（5）如果無法將電機(jī)功率和變頻器功率保持一致，則需針對已設(shè)計(jì)完成的節(jié)能程序展開靈活調(diào)整，從根本上提升節(jié)能的有效性。

1.2.2 按照控制方式進(jìn)行選型

（1）變頻調(diào)速系統(tǒng)通常由異步電機(jī)和通用的高壓變頻器構(gòu)成，一般而言，可以將變頻調(diào)速控制系統(tǒng)分成開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種不同的控制模式。其中開環(huán)控制借助U/f控制高壓變頻器和無速度傳感器實(shí)施系統(tǒng)控制，前者往往只具備一般性的功能，而后者則主要用于矢量控制之中。采取開環(huán)控制的方式實(shí)施管控，其運(yùn)行方式相對較為穩(wěn)定且控制系統(tǒng)構(gòu)造較為簡單，但是由于相應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)特性有待提升、掉速精確度較低，且此類問題在低速區(qū)域中表現(xiàn)得尤為明顯，因此，只能在精度標(biāo)準(zhǔn)較低的區(qū)域應(yīng)用開環(huán)控制的方法。

（2）閉環(huán)控制一般包括有速度傳感器矢量控制、U/f控制變頻器控制高壓變頻器，且在高壓變頻器中配備有PID控制器，表現(xiàn)出良好的控制性能，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于壓力、張力、位置、pH值、速度及溫度等過程參數(shù)的控制過程之中。在使用具有速度傳感器矢量控制裝置的變頻器時，需要在異步電機(jī)之上安裝相應(yīng)的編碼器和速度傳感裝置，通過編碼器或速度傳感器的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，將其輸入到變頻器之中，以構(gòu)建一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)。通過閉環(huán)控制的方式實(shí)施管控，可以發(fā)揮出良好的控制效果，能夠針對1∶1000調(diào)速范圍內(nèi)的速度進(jìn)行系統(tǒng)管控，同時，還可以在一定程度上提升轉(zhuǎn)距控制的精確化程度。一般而言，閉環(huán)控制系統(tǒng)具有十分良好的性能，且動態(tài)反應(yīng)的速度相對較快，因此可以廣泛運(yùn)用于需要特殊精度控制的領(lǐng)域。

1.2.3 按照負(fù)載種類進(jìn)行選型

對于負(fù)載種類不同的高壓變頻器而言，其轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)距之間的關(guān)系也存在不同程度的差異。基于此，需要以負(fù)載種類為依托，進(jìn)行高壓變頻器選擇，以提升選擇過程的科學(xué)性。就生產(chǎn)機(jī)械而言，按照其特性差異，可以將機(jī)械分成水泵及風(fēng)機(jī)類降轉(zhuǎn)距負(fù)載、功率恒定的負(fù)載和轉(zhuǎn)矩恒定的負(fù)載等幾種類型，其中轉(zhuǎn)矩恒定的負(fù)載變頻器可以在水泵及風(fēng)機(jī)類負(fù)載中得到應(yīng)用，但是屬于降轉(zhuǎn)矩負(fù)載類型的變頻器則無法在轉(zhuǎn)矩恒定的負(fù)載變頻器中運(yùn)用。利用U/f控制方式的形式可以表現(xiàn)出良好的功率恒定負(fù)載特性，然而卻缺乏相應(yīng)的恒功率負(fù)載變頻裝置。盡管如此，許多變頻器卻可以同時適用于多種不同形式的負(fù)載種類。

2 機(jī)電設(shè)備中高壓變頻器的實(shí)際應(yīng)用

2.1 在采煤機(jī)中的應(yīng)用

（1）在實(shí)施采煤作業(yè)時，經(jīng)常會受到外界環(huán)境的影響，由于煤礦作業(yè)環(huán)境通常十分惡劣，對作業(yè)過程中的操作技術(shù)提出了更高的要求，使得采煤作業(yè)中各種突發(fā)事件頻發(fā)。此外，在煤礦作業(yè)現(xiàn)場，經(jīng)常會出現(xiàn)采煤作業(yè)情況難以適應(yīng)作業(yè)環(huán)境的問題。為了在最大限度地保證采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，為采煤機(jī)提供一個安全的作業(yè)環(huán)境，要求煤礦企業(yè)積極關(guān)注現(xiàn)場環(huán)境的穩(wěn)定性，妥善處理好采煤機(jī)和現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)工作。由于采煤機(jī)的操作流程十分煩瑣，為此，要求在采煤工作實(shí)踐中配備專門的技術(shù)人員進(jìn)行采煤機(jī)操作，讓采煤作業(yè)的安全性得以充分保障，以保證工作的順利開展。

（2）高壓變頻器在采煤機(jī)中的應(yīng)用十分廣泛，在采煤機(jī)上安裝高壓變頻器可以發(fā)揮出良好的作業(yè)效果，提升采煤機(jī)操作的簡便性。同時，讓相關(guān)人員可以以更加靈活便捷的方式控制采煤機(jī)，在一定程度上提升了煤炭的開采量。由此可見，借助高壓變頻器的形式可以有效推動采煤機(jī)的優(yōu)化和升級，讓采煤機(jī)的開采優(yōu)勢得以充分展現(xiàn)。在進(jìn)行高壓變頻器安裝后，采煤機(jī)在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的能源消耗得到了一定程度的降低，表現(xiàn)出十分突出的節(jié)能效果。例如，在采煤機(jī)正常運(yùn)行時可能會面臨夾矸的問題，為更好應(yīng)對此類問題，要求在選擇具體的電機(jī)設(shè)備時將其功率控制在合理范圍內(nèi)，盡量確保電機(jī)的功率超出其所需的實(shí)際功率，將運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷控制在40%～50%。然而采取此種措施開展工作會造成極大的資源浪費(fèi)，嚴(yán)重限制了電動機(jī)的運(yùn)行效率。為此，可以針對高壓變頻器的結(jié)構(gòu)和功能展開系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)能效果，讓電動機(jī)的節(jié)能效用得以充分展現(xiàn)。

2.2 在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用

（1）現(xiàn)階段，礦井提升機(jī)已經(jīng)在煤礦行業(yè)、金屬礦藏領(lǐng)域和非金屬礦藏領(lǐng)域中得到了廣泛運(yùn)用，可以用于提升或下放作業(yè)人員、煤炭、礦石及其他各類施工材料及工具。煤礦提升機(jī)的存在在一定程度上推動了煤炭開采工作的高效開展，其對于煤炭行業(yè)的價值與采煤機(jī)的作用不分高下。礦井提升機(jī)最重要的功能就是強(qiáng)化地面和地下的聯(lián)系，為此，需要積極關(guān)注設(shè)備的靈敏度。然而，在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于采煤現(xiàn)場中的提升機(jī)往往使用時間較長，且未能及時進(jìn)行維修和更換，對設(shè)備的靈敏度造成了一定影響。此外，在運(yùn)行提升機(jī)時，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注對設(shè)備速度的把控，以降低安全事故的風(fēng)險。

（2）由于礦井提升機(jī)在運(yùn)行過程中存在上述問題，因此可以在機(jī)器上面安裝高壓變頻器，借助變頻器的形式，充分利用其調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對于提升機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化和完善，以實(shí)現(xiàn)對于提升機(jī)運(yùn)行速度的科學(xué)管控。在實(shí)際調(diào)速時，可以借助發(fā)動機(jī)啟動和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的形式，讓礦井提升機(jī)的負(fù)荷需求得到切實(shí)滿足。借助變頻器的調(diào)節(jié)控制作用，可以提升礦井提升機(jī)運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，提高運(yùn)行過程中信號處理和制動運(yùn)行的速度，同時提升機(jī)器整體的靈敏性，以充分保障礦井提升器的綜合性能。

（3）以往的煤礦提升機(jī)一般借助繞線電機(jī)串電阻的形式進(jìn)行速度控制，在使用煤礦提升機(jī)時，由于轉(zhuǎn)子電路中串聯(lián)電阻的存在，可能導(dǎo)致大量的資源和能源浪費(fèi)。在煤礦機(jī)電設(shè)備之中，應(yīng)用高壓變頻器可以發(fā)揮出良好的節(jié)能優(yōu)勢，針對高壓變頻器的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可以充分提升煤礦提升機(jī)的節(jié)能效果，以更好應(yīng)對電力資源浪費(fèi)的問題。

2.3 在煤礦通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

（1）在煤礦開采工作中，煤礦通風(fēng)機(jī)是十分重要的一個設(shè)備，利用煤礦通風(fēng)機(jī)可以有效提升井下開采環(huán)境的安全性。為了切實(shí)保障煤礦開采現(xiàn)場的安全性和穩(wěn)定性，要求將通風(fēng)機(jī)保持全天候的通風(fēng)狀態(tài)。然而，在開采實(shí)踐中，有許多企業(yè)無法將通風(fēng)機(jī)保持在全天候的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，導(dǎo)致開采現(xiàn)場難以充分通風(fēng)。部分企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本，只有在開采過程中才打開通風(fēng)機(jī)設(shè)備，一旦開采人員休息，就立即關(guān)閉通風(fēng)機(jī)，使得礦下的整體通風(fēng)條件相對較差，無法實(shí)現(xiàn)良好的通風(fēng)效果，為開采人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重的安全隱患，限制了煤礦生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。

（2）對于企業(yè)生產(chǎn)而言，生產(chǎn)成本控制十分關(guān)鍵。為更好地達(dá)到成本控制的目標(biāo)，要求煤礦企業(yè)針對通風(fēng)機(jī)設(shè)備予以改造，將高壓變頻器安裝到通風(fēng)機(jī)設(shè)備上，不僅可以有效降低通風(fēng)機(jī)的能源損耗，還能在一定程度上減少因電網(wǎng)而導(dǎo)致的通風(fēng)機(jī)損傷，延長通風(fēng)機(jī)設(shè)備的使用壽命。在通風(fēng)機(jī)上安裝變頻器設(shè)備，可以有效解決通風(fēng)機(jī)耗能問題，最大限度地節(jié)約生產(chǎn)成本。此外，還可以有效減少井下煤炭開采過程中的安全隱患，讓煤炭開采過程的安全性得到充分保障。

3 結(jié)束語

總而言之，在我國大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的背景下，要求煤礦企業(yè)在日常生產(chǎn)實(shí)踐中提高對于節(jié)能問題的關(guān)注，積極進(jìn)行節(jié)能環(huán)保改造。為此，要求相關(guān)企業(yè)在機(jī)電設(shè)備中強(qiáng)調(diào)高壓變頻器的選型和運(yùn)用，通過科學(xué)合理的選型運(yùn)用，讓煤礦企業(yè)機(jī)電設(shè)備的靈敏度得到充分提升，以降低能源損耗，讓設(shè)備得以維持安全穩(wěn)定運(yùn)行，從而促進(jìn)設(shè)備使用年限提升，以發(fā)揮良好的節(jié)能減排效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 李躍.變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用探究[J].煤炭工程，2019，51（S2）：168-170.