论文部分内容阅读
[摘 要]本文简单介绍了变频技术的原理及其应用现状，着重分析了其在空压机、风机及运输系统等煤矿大型机电设备中的运用。变频技术能够显著提高煤矿机电设备的工作效率、安全性能，减少能耗，是煤矿机电设备的发展方向。
[关键词]变频技术 空压机 风机 运输系统 发展方向
中图分类号：TH39 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）17-0234-01
0.引言
我国高压大容量电动机的调速以及启动方法比较落后，这不但使得煤矿工业生产浪费了大量电能，而且还使设备的寿命缩短。应用高压变频技术对煤矿机电设备的改造，能够很好的解决这一问题，继而为煤矿生产企业提高经济效益。
一.变频技术原理及国内外应用现状
变频技术即改变电流频率的技术，在传统的电器设备中所用到交流电频率是不变的，其转速一经启动就不能改变，通过变频技术可以实现设备以不同的转速运转来适应不同的生产需要。变频技术的发展历经了各种电器器件的更新换代，从SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管），器件的不断更新促使电力变换技术的持续发展。而在变频技术控制方面，上世纪70年代脉宽调制变压变频调速研究首先进入人们的视野，80年代中期鞍形波脉宽调制变压变频调速模式作为脉宽调制变压变频调速的优化模式被提出，80年代后期又出现了矢量控制变频调速和直接转矩控制变频技术。调速系统的集成度越来越高，以单片机为基础又研究出了数字信号处理器、精简指令集计算机和高级专用集成电路等[2]。
高压变频器早起由于受电子电器设备耐压性弱的影响，一般采用高-低-高模式，即高压经过变压器降压后通过低压变频器变频，最后通过升压变压器升压供给高压变压器，这样一个流程使得变频器设备体积过大，耗能也增加。1980年日本东芝电气公司成功研制了1800kW的交-交方式高压变频器。1981年德国西门子公司研制出4000kW的交-交方式的高压变频器。此后，法国阿尔斯通、美国 AB、日本三菱和日立等公司也相继推出自己的高压变频器设备。20世纪90年代初，我国在自行开发和研制的高压变频器方面取得了很大成绩，在钢铁行业和电力行业得到很好的应用。交- 交变频调速系统的迅猛发展，在大型机电设备调速中得到广泛应用[1]。
二.变频技术应用特点
（1）调速。在煤矿生产中，提升机一般采用转子串电阻方式调速，调度范围小，精度低以及安全性能低，在减速和下放时，需要投切动力制动直流电源，容易造成设备损坏，设备维修量大；采用变频调速，运行可靠性可较大提高，运行故障率降低，操作员操作简便，减少了设备维修量，提高了设备的调速性能。
（2）节能。在煤矿生产中，风机、水泵、压缩机等调节流量时，通常采用的办法是调节阀门（气门）开度来实现，很不经济。若通过变频器控制转速来调节风量、流量，将会起到节约能源、提高经济效益的作用。
（3）其它。变频器在煤矿生产应用中还有利于产品的标准化，电机设备的防爆化，电源设备体积减小等特点[3]。
三.变频技术在空压机中的应用
当前空压机的使用现状存在以下缺陷：1.启动方式。使用直接启动或者用转子串电阻起动方式起动，设备起动时电流大，对电网和机械设备造成较大的冲击，大大缩短机械设备的寿命。2.压风系统采用开环方式。设备压力系统通过压力调节器来调节空压机的载荷与卸荷。压风系统若采用开环控制方式，供风压力会在上、下限之间波动，不能保证设备恒压供风。这种运行方式将频繁地起动设备和电动机，对电网和机械设备造成巨大的冲击，设备的寿命大为缩短，设备维护量增加。
对其进行变频改造方案：1.选用变频设备启动。2.变频设备有压力闭环控制及开环控制手动调节两种控制方式，有一个开关可以进行选择。工作时，采用压力闭环控制系统，压力变送器即时检测空压机实际给风压力，并将其与给风压力的设定值相比较，然后用差值调节空压机转速，保持空压机的给风压力恒定为设定值。在变频器控制柜的门上设有给风压力设定的电位器及数字显示，操作员可方便地设定给风压力。为了使压力变送器在故障发生时变频系统也可以进行应急工作，变频器也可以利用电位器对电机手动调节转速，在一定范围内调节空压机的给风压力。变频控制柜的柜门上设有变频故障复位按钮，在变频器发生故障时，操作工可方便地对故障进行复位。把空压机原有的监控装置的接点引入变频器控制回路进行联锁，当空压机的压力、温度等参数超过高限值或出现断水信号时，自动停止变频运行。别外，在空压机拖动电机底部设置一个冷却风扇，当电机低速运转时对电机进行冷却，起到很好的效果[4]。
四.变频技术在风机中的应用
矿井通风容易与困难时期的通风设计差别很大， 有时会采用矿井生产中期更换不同通风机的方法解决矿井在通风容易与困难不同时期的通风问题， 但是更换通风机后， 原通风机无法使用， 容易造成资源浪费。
现在应用变频技术， 解决矿井不同时期通风问题非常方便。例如掘进全过程只需安装1 台足够风量的局部通风机，就可实现风量由小到大的需求，不必经常更换局部通风机，可减少倒换风机的时间、费用；同时还可大量节约由于通风机长期额定转速运转浪费的电能[5]。
五.变频技术在煤矿运输系统中的应
煤矿企业胶带输送机是具有高电压、大功率的大型运输设备，是矿井煤炭运输系统中的“咽喉”，所以要求它必须具有运行效率高、寿命长、安全可靠的特点。但由于诸多原因，使用过程中长时间都处于空载或轻载状态，耗电严重。如若使用变频调速技术，可减少电耗，同时也能解决大功率皮带输送机的软启动问题。另外目前许多皮带输送机采用软起动装置绝大部分为液力偶合器，下行运输皮带在启动运行制动过程中会出现电机失控的现象，如果在皮带输送机上安装变频器，即可随时将电机产生的负力转回到电网中，尽量减少发热损耗，同时解决机械系统和电气系统的冲击问题，延长机器的使用寿命，并能高效地节约电能[6]。
矿井提升机通常是在繁重、复杂的条件下进行工作的设备，因此要求提升机的要求比较高，拖动装置要能满足频繁启动、停止、调速，并且能够重载启动。为了实现矿井提升机平稳加、减速，提高提升机系统的安全性并起到节能的目的，矿井提升机需要采用变频控制，节约调速运行时电阻产生的热损耗，而在矿车下放减速器时，电动机短期发电运转，并将电能反馈给电网。另一方面，使用变频设备内置的软件替代继电器，可实现提升速度的控制，减少设备的事故量，减少维修费用，节能效果显著。
六.结语
目前，煤矿井下变频技术的应用还处于起步阶段，变频设备在各种大型机器中的应用还不多，但在煤矿企业技术改造及产品更新换代，在节能和实现生产自动化方面已经取得了明显的效果。在煤矿生产中应大力推广变频技术，这不仅是当前煤矿企业节能降耗的重要手段而且也是实现企业经济增长方式转变的可行途径。变频技术的推广应用对提高煤矿机电设备技术含量及企业的经济效益具有重大现实的意义。
[关键词]变频技术 空压机 风机 运输系统 发展方向
中图分类号：TH39 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）17-0234-01
0.引言
我国高压大容量电动机的调速以及启动方法比较落后，这不但使得煤矿工业生产浪费了大量电能，而且还使设备的寿命缩短。应用高压变频技术对煤矿机电设备的改造，能够很好的解决这一问题，继而为煤矿生产企业提高经济效益。
一.变频技术原理及国内外应用现状
变频技术即改变电流频率的技术，在传统的电器设备中所用到交流电频率是不变的，其转速一经启动就不能改变，通过变频技术可以实现设备以不同的转速运转来适应不同的生产需要。变频技术的发展历经了各种电器器件的更新换代，从SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管），器件的不断更新促使电力变换技术的持续发展。而在变频技术控制方面，上世纪70年代脉宽调制变压变频调速研究首先进入人们的视野，80年代中期鞍形波脉宽调制变压变频调速模式作为脉宽调制变压变频调速的优化模式被提出，80年代后期又出现了矢量控制变频调速和直接转矩控制变频技术。调速系统的集成度越来越高，以单片机为基础又研究出了数字信号处理器、精简指令集计算机和高级专用集成电路等[2]。
高压变频器早起由于受电子电器设备耐压性弱的影响，一般采用高-低-高模式，即高压经过变压器降压后通过低压变频器变频，最后通过升压变压器升压供给高压变压器，这样一个流程使得变频器设备体积过大，耗能也增加。1980年日本东芝电气公司成功研制了1800kW的交-交方式高压变频器。1981年德国西门子公司研制出4000kW的交-交方式的高压变频器。此后，法国阿尔斯通、美国 AB、日本三菱和日立等公司也相继推出自己的高压变频器设备。20世纪90年代初，我国在自行开发和研制的高压变频器方面取得了很大成绩，在钢铁行业和电力行业得到很好的应用。交- 交变频调速系统的迅猛发展，在大型机电设备调速中得到广泛应用[1]。
二.变频技术应用特点
（1）调速。在煤矿生产中，提升机一般采用转子串电阻方式调速，调度范围小，精度低以及安全性能低，在减速和下放时，需要投切动力制动直流电源，容易造成设备损坏，设备维修量大；采用变频调速，运行可靠性可较大提高，运行故障率降低，操作员操作简便，减少了设备维修量，提高了设备的调速性能。
（2）节能。在煤矿生产中，风机、水泵、压缩机等调节流量时，通常采用的办法是调节阀门（气门）开度来实现，很不经济。若通过变频器控制转速来调节风量、流量，将会起到节约能源、提高经济效益的作用。
（3）其它。变频器在煤矿生产应用中还有利于产品的标准化，电机设备的防爆化，电源设备体积减小等特点[3]。
三.变频技术在空压机中的应用
当前空压机的使用现状存在以下缺陷：1.启动方式。使用直接启动或者用转子串电阻起动方式起动，设备起动时电流大，对电网和机械设备造成较大的冲击，大大缩短机械设备的寿命。2.压风系统采用开环方式。设备压力系统通过压力调节器来调节空压机的载荷与卸荷。压风系统若采用开环控制方式，供风压力会在上、下限之间波动，不能保证设备恒压供风。这种运行方式将频繁地起动设备和电动机，对电网和机械设备造成巨大的冲击，设备的寿命大为缩短，设备维护量增加。
对其进行变频改造方案：1.选用变频设备启动。2.变频设备有压力闭环控制及开环控制手动调节两种控制方式，有一个开关可以进行选择。工作时，采用压力闭环控制系统，压力变送器即时检测空压机实际给风压力，并将其与给风压力的设定值相比较，然后用差值调节空压机转速，保持空压机的给风压力恒定为设定值。在变频器控制柜的门上设有给风压力设定的电位器及数字显示，操作员可方便地设定给风压力。为了使压力变送器在故障发生时变频系统也可以进行应急工作，变频器也可以利用电位器对电机手动调节转速，在一定范围内调节空压机的给风压力。变频控制柜的柜门上设有变频故障复位按钮，在变频器发生故障时，操作工可方便地对故障进行复位。把空压机原有的监控装置的接点引入变频器控制回路进行联锁，当空压机的压力、温度等参数超过高限值或出现断水信号时，自动停止变频运行。别外，在空压机拖动电机底部设置一个冷却风扇，当电机低速运转时对电机进行冷却，起到很好的效果[4]。
四.变频技术在风机中的应用
矿井通风容易与困难时期的通风设计差别很大， 有时会采用矿井生产中期更换不同通风机的方法解决矿井在通风容易与困难不同时期的通风问题， 但是更换通风机后， 原通风机无法使用， 容易造成资源浪费。
现在应用变频技术， 解决矿井不同时期通风问题非常方便。例如掘进全过程只需安装1 台足够风量的局部通风机，就可实现风量由小到大的需求，不必经常更换局部通风机，可减少倒换风机的时间、费用；同时还可大量节约由于通风机长期额定转速运转浪费的电能[5]。
五.变频技术在煤矿运输系统中的应
煤矿企业胶带输送机是具有高电压、大功率的大型运输设备，是矿井煤炭运输系统中的“咽喉”，所以要求它必须具有运行效率高、寿命长、安全可靠的特点。但由于诸多原因，使用过程中长时间都处于空载或轻载状态，耗电严重。如若使用变频调速技术，可减少电耗，同时也能解决大功率皮带输送机的软启动问题。另外目前许多皮带输送机采用软起动装置绝大部分为液力偶合器，下行运输皮带在启动运行制动过程中会出现电机失控的现象，如果在皮带输送机上安装变频器，即可随时将电机产生的负力转回到电网中，尽量减少发热损耗，同时解决机械系统和电气系统的冲击问题，延长机器的使用寿命，并能高效地节约电能[6]。
矿井提升机通常是在繁重、复杂的条件下进行工作的设备，因此要求提升机的要求比较高，拖动装置要能满足频繁启动、停止、调速，并且能够重载启动。为了实现矿井提升机平稳加、减速，提高提升机系统的安全性并起到节能的目的，矿井提升机需要采用变频控制，节约调速运行时电阻产生的热损耗，而在矿车下放减速器时，电动机短期发电运转，并将电能反馈给电网。另一方面，使用变频设备内置的软件替代继电器，可实现提升速度的控制，减少设备的事故量，减少维修费用，节能效果显著。
六.结语
目前，煤矿井下变频技术的应用还处于起步阶段，变频设备在各种大型机器中的应用还不多，但在煤矿企业技术改造及产品更新换代，在节能和实现生产自动化方面已经取得了明显的效果。在煤矿生产中应大力推广变频技术，这不仅是当前煤矿企业节能降耗的重要手段而且也是实现企业经济增长方式转变的可行途径。变频技术的推广应用对提高煤矿机电设备技术含量及企业的经济效益具有重大现实的意义。