淺談煤礦變頻控制技術的應用

喬海源，王 飛，任文清

(國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

以改變交流電機工作電源頻率的方式來控制交流電動機運行的電力控制設備稱之為變頻器，其主要組成部分為整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅動單元和檢測單元微處理單元。變頻器靠內部IGBT(晶閘管)的導通與斷開來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的，隨著煤礦自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。煤礦井下常用的變頻器主要采用交-直-交變頻方式，首先把工頻交流電源通過整流單元轉換為直流電源，再通過逆變單元將直流電源轉換成頻率、電壓均可調節控制的交流電源，從而控制交流電動機轉速、轉矩，電壓等級有660 V、1 140 V、3 300 V變頻器，多用于膠帶機、刮板運輸機、泵站、采煤機牽引控制。

1 變頻器原理

變頻器是把輸入電壓和頻率固定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可調節的交流電裝置。為了產生可調節的電壓和頻率，該裝置首先要把電源的交流電(AC)變換為直流電(DC)，這個過程稱為整流，然后把直流電(DC)變換為交流電(AC)，此過程稱為逆變。一般逆變器是把直流電源逆變為一定頻率和一定電壓的逆變電源。對于逆變為頻率可調、電壓可調的逆變器稱為變頻器。

變頻器輸出的電源波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機調速過程中，所以又叫變頻調速器。異步電機轉速公式

n=60f/p(1-s)

(1)

式中，n為電機的轉速；f為電源頻率；p為電機磁極對數；s為電機的轉差率。其中轉差率是電機結構決定的，不可隨意調整。電機的極對數為奇數，在結構上設計為可調，但通常只能在2個極對數之間來回切換，即電機通常只可在2種速度之間切換，是有級變速。而頻率是電機供電電源的電信號，該值能夠在電機的外面調節后再供給電機，這樣電機的旋轉速度就可以被自由控制了。

變頻器在節能方式上主要有以下幾個方面。

變速節能：為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。電機正常啟動情況下不能在滿負荷下運行，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。在負荷偏低時，可降低電機的運行速度，使其在滿足轉矩要求的前提下節約電能。當電機轉速從n1變到n2時，其電機軸功率P的變化關系如式(2)，由此可見降低電機轉速可得到立方級的節能效果。

P2/P1=n2/n1

(2)

動態調整節能：變頻器迅速適應負載變動，供給最大效率電壓。變頻調速器在軟件上設有測控輸出功能，可以始終保持電機的輸出高效率運行。

調整V/F曲線節能：在保證電機輸出力矩的情況下，可自動調節V/F曲線(幅頻曲線)，降低輸入電流，達到節能狀態。

軟啟動節能：在電機全壓啟動時，由于電機的啟動力矩需要，從電網吸收4～7倍的電機額定電流，而大的啟動電流既浪費電力能源，又對電網的電壓波動產生很大損害，增加了線路損耗和變壓損耗。采用軟啟動后，啟動電流可從零逐步增加至電機額定電流，減少了啟動電流對電網的沖擊，節約了電能，也減少了啟動慣性對設備的大慣量轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。

提高功率因數節能：電動機由定子繞組和轉子繞組通過電磁作用而產生力矩。對電網而言，阻抗特性呈感性，電機在運行時吸收大量的無功功率，造成功率因數很低。采用變頻節能調速器后，由于其性能已變為AC-DC-AC，在整流濾波后，負載特性發生了變化，變頻調速器對電網的阻抗特性呈低阻性，功率因數接近于1，減少了無功損耗。

2 變頻器在煤礦井下機電設備上應用

2.1 變頻器在綜采采煤機上的應用

采煤機是煤礦綜采工作面不可缺少的設備，長壁式采煤機按牽引方式可分為3種類型，即機械牽引、液壓牽引、電牽引。機械牽引采煤機結構簡單、適應性差、效率低，現基本淘汰；液壓牽引采用液壓泵、液壓馬達及閥組管路系統，結構復雜，液壓件要求精度高，而且液壓系統阻力大、泄露損耗大，總效率只有60%～70%左右；電牽引采煤機可分為直流電牽引采煤機和交流電牽引采煤機2種，具有控制簡單、傳動效率高，能夠適用于各種地質條件，電牽引采煤機已成為采煤機發展主導方向。

采用直流電動機，用晶閘管調速裝置改變直流電動機電樞回路的電壓或磁通實現采煤機牽引速度的無級調速，具有調速性能好、控制響應快，能夠實現各種保護、檢測和顯示，但直流電動機結構復雜，電動機電刷、整流子易磨損。

如今礦用采煤機牽引多采用交流電牽引方式，利用變頻調速裝置改變輸入電機的頻率、電壓進行調速，大多采用交-直-交變頻器控制。以美國JOY7LS采煤機為例，該采煤機變頻系統由1個交-直整流電源模塊BSM、2個直-交逆變器模塊組成，控制2臺交流牽引電機。當采煤機割煤時，由遙控器啟動采煤機變頻器，三相整流模塊BSM將電源575 V交流電整流為800 V直流電壓，經過電容器濾波，送至2個逆變器，逆變器將直流電壓逆變可控三相交流輸出頻率、電壓，給定牽引速度，可使采煤機在運輸機上勻速往返割煤，當采煤機截割電機電流、溫度超過額定值時，采煤機主機給變頻器發出命令，強制減速，直到采煤機截割電機電流、工作溫度在額定值以內，牽引速度恢復設定值；當采煤機牽引電機電流、溫度超過額定值時，變頻器自動降低輸出頻率，直到采煤機牽引電機電流、工作溫度在額定值以內。

采用變頻器控制采煤機牽引電機速度，具有過流、溫度、負載平衡、漏電等完善電氣設備保護，可以實現變頻器0～120 Hz控制輸出，而且控制反應靈敏、牽引轉矩大、速度平穩等良好性能，不會造成截割電機堵轉，對采煤機截割、牽引行星減速箱有良好緩沖性能，提高采煤機機械性能。

2.2 變頻器在煤礦刮板機上應用

現煤礦綜采工作面煤炭輸送采用刮板運輸機，刮板運輸機重載啟動頻繁，經常造成重載不能啟車、啟動電流大越級跳閘故障，嚴重制約煤礦綜采工作面正常生產。

刮板運輸機的驅動方式有普通異步電動機高低速轉換、TTT偶合、CST偶合以及變頻電動機直接驅動等方式。其中最早使用的驅動方式是雙速電動機，主要特點是低速啟動，啟動完成后轉換為高速運轉，其缺點是電機來回切換，影響正常生產，電機直接啟動，啟動電流大，對運輸機刮板鏈條沖擊大，容易造成刮板斷鏈事故；TTT耦合器軟驅動，受水質影響較大，傳動效率低；CST偶合軟驅動，設計復雜，故障較多；采用變頻驅動，具有啟動轉矩大，運行平穩，檢修方便等特點。

變頻器驅動裝置控制簡單，刮板運輸機正反轉及速度調整都可在變頻器控制菜單上修改，而不需要在組合開關上打隔離手把，操作方便、快捷，可實現電機100～1 800 r/s速度設定，當控制臺發出刮板運輸機啟動指令時，順槽組合開關將1 140 V交流電源送至變頻一體機，通過內部接觸器吸合后，對三相交流電源進行整流，然后通過逆變器逆變輸出給電動機繞組，電動機按照設定轉速運轉。

帶有變頻電機的刮板運輸機，通過程序可以改變轉速與扭矩，可以減少機械部分的負荷，啟動時產生的高扭矩電網負荷較低，可以在驅動裝置間分配最佳的負荷，可實現無次數限制的啟停，可以大幅度提高鏈條、鏈輪和溜槽的使用壽命，可以實現更長的工作面。

通過變頻器可以設定刮板運輸機以較低速度運行，檢修工可方便查看運輸機刮板、鏈條磨損情況；為了便于生產組織，當刮板運輸機負荷增大時，刮板運輸機運行速度下降，轉矩增大，采煤機司機可以降低采煤機速度，實現連續生產；變頻電機啟動轉矩大、啟動電流小，可滿足綜采刮板運輸機重載啟動，而不影響電網電壓；變頻驅動有過載、漏電、接地、短路、功率平衡、溫度等完善保護功能，且具有啟動轉矩大，啟停平穩、啟動電流小的特點；能實現在各種負載情況下的平滑啟動、調速、停車等功能，能消除機械及電氣沖擊，延長電氣設備、機械設備使用壽命；使用多臺變頻電機驅動刮板運輸機，各變頻器之間互相通信，自動調節負荷，實現多臺電機之間動態功率平衡。

2.3 變頻器在煤礦膠帶機上應用

膠帶輸送機的帶面是一種彈性體，在啟動時皮帶會積蓄大量能量。隨后，皮帶內貯藏的能量將很快釋放，在皮帶上形成張力并逐漸達到最大值時，極易引起皮帶斷裂。煤礦膠帶輸送機啟動裝置主要有液力耦合器、CST、變頻器，液力耦合器、CST啟動都是直接軟啟動，啟動電流大、帶速不可調，變頻器啟動可使系統緩慢加載、平穩啟停，減小皮帶上張力，將膠帶輸送機啟停時產生的沖擊減至最小。

使用變頻調速電機的膠帶機可以實現在電機特征曲線內無級變速，啟動時間無限制，在額定扭矩可以無限制的啟停，隨時根據運送人員和物料設置不同速度，多電機時自動的平衡負載。

目前部分礦用變頻器為十二脈沖整流變頻器，能有效降低電路諧波含量，具有過載、過電壓、欠電壓、過熱、漏電、接地、短路等保護功能，且配有液晶顯示屏實時顯示各工作狀態；具有啟動轉矩大、啟停平穩等特點，能實現交流電機在各種負載情況下的平滑啟動、調速、停車等功能，減弱機械及電氣沖擊，延長設備使用壽命。當膠帶機啟動時，設定膠帶機加載時間，變頻器通過整流、逆變，輸出低頻率、大轉矩，使電動機慢速加載，帶動膠帶機緩慢運轉，膠帶機張緊裝置張緊皮帶，實現膠帶緩慢加速到正常運轉速度，整個啟動過程平滑、平穩、減少對皮帶沖擊；當皮帶停止時，變頻器按照預定的減速時間，斜坡減速到零速，停止變頻器輸出，膠帶機停機平穩。采用變頻器控制多臺電機驅動，變頻器之間相互通信，從而實現每臺驅動之間功率平衡；節能效果明顯，采用攝像頭調速，當攝像頭檢測到膠帶機煤量減少時，降低膠帶機速度，降低電機功率輸出，達到節能效果。現煤礦煤炭運輸多采用膠帶機輸送，具有輸送距離長、啟動轉矩大、多臺電機驅動等特點，采用變頻器驅動膠帶機可實現上述功能。膠帶機變頻器主回路電氣原理如圖1所示。

圖1 膠帶機變頻器主回路電氣原理Fig.1 Electrical principle of frequency converter of belt conveyor

2.4 變頻器在煤礦乳化液泵站上應用

煤礦乳化液泵站多采用異步電動機直接驅動，啟動電流大，電動機是持續全速運轉，不能根據工作面實際液壓需求自動調節供液量，柱塞持續做功，加快曲軸箱、閥體部件磨損，液壓系統不能完全利用，不僅造成了電能的浪費，同時乳化液泵站電機長時間全速運轉，增大了機械磨損，縮短了使用壽命。

采用變頻器控制乳化液泵站，將液壓系統壓力信號數據傳送至變頻器，當系統管路壓力升高并超過給定值，變頻器可以通過降低電機轉速，從而使管路系統流量減小，管路壓力降低到給定值；當管路系統壓力低于給定值，變頻器可以增大電機轉速，使管路壓力增加到給定值。采用變頻器控制乳化液泵站，節能效果明顯，同時也實現了軟起動，降低液壓系統對管路沖擊，減少了“爆管子”現象。

3 結語

變頻控制技術實現最優的生產工藝、低成本維護和保養、節省能源效果優良、結構簡單且造價低廉、啟動轉矩大、啟停平穩、功率損耗小、消除機械及電氣沖擊，顯著提高設備使用壽命。變頻器拖動同一帶式負載時，各變頻器之間自動調節，實現多臺之間的動態功率平衡。

變頻器適合自動化程度高、控制要求高的環境，變頻控制系統開放化程度高，可完成主控系統提出的各種工況需求，可隨時對運行參數進行修改，無控制系統則不能工作。多電機驅動時自動平衡負載隨著煤礦機電拖動設備功率增加，采用變頻器控制優點顯著，變頻器控制很容易實現電動機的正、反轉，只需改變變頻器內部逆變管的開關順序，即可實現輸出換相，不存在因換相不當而燒毀電動機的問題；變頻調速系統具有良好啟動性能，不僅設備運轉速度可任意設定，而且可進行較高頻率的啟停；采用變頻調速后，節能效果明顯提升，變頻器控制技術在煤礦得到廣泛應用。