变频器在煤矿机电设备中的研究应用

杨 武

陕西长武亭南煤业有限责任公司

变频器在煤矿机电设备中的研究应用

杨 武

陕西长武亭南煤业有限责任公司

变频技术是集合自动化控制、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术，具有比较理想的调速性能和显著的节能作用，主要用于交流电动机转速的调节。本文简述了变频器调速技术的原理，介绍和分析了变频器在煤矿机电设备中的应用，讨论了变频技术的发展方向。

变频；调速；煤矿；机电

随着我国经济的不断发展，能源问题日益严重，煤炭在我国一次能源消费结构中煤炭资源占到60%以上，而煤矿用的大型机电设备装机容量不断扩大，资源消耗逐年增加，而且经常处于轻载运行状态,效率非常低，电源浪费非常严重，尤其是在我国电力资源仍然相对比较短缺的情况下，煤炭工业节能增效迫在眉睫；通过变频技术采用变频器调速，可以避免对电网电压产生剧烈波动，既可减小设备启动电流，又可增大启动转矩，还可实现软停机，有效地降低设备电耗，提高设备使用寿命，给企业带来可观的经济效益。

1 变频器简述

1.1 变频器变速原理

电动机转速公式为:

n=60f/p（1-s）

式中:n—电动机的转速，r/min；f—电源的频率，Hz；p—电动机的磁极对数；s—电动机的转差率。

由于电动机的磁极对数通常是固定不变的，即使改变磁极对数，电动机转速也是有极差的，也不可能达到无极调速；因此，电动机要想实现无极调速主要取决于电源频率；通过控制半导体原件的通断，将频率和电压固定不变的交流电转换成为频率和电压都可以根据实际情况自由调节的交流电，这就是变频器实现无极变速的工作原理。

1.2 变频器控制方式

变频器通过什么工作方式负载称之为变频器的控制方式。常见的控制方式有电压频率比（V/F）控制、脉冲宽度调制、矢量控制和直接转矩控制等。

电压频率比控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式，它是通过改变电压和频率之比来调整电动机的转矩，以满足不同负载的要求；矢量控制变频调速是通过控制东东集的励磁电流和转矩电流，将交流电动机等效为直流电动机，得到和直流电动机相类似的控制性能。脉冲宽度调制控制是指按照脉冲波规律调制输出电压中各脉冲宽度，使其平均值为该脉冲波形，依据电动机运动电流对该脉冲波调幅、调相，最终使电动机按照负载要求稳定运行。

直接转矩控制是采用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制，满足负载要求。

1.3 变频器的发展方向

变频器以其很好的调速、节能性能正不断扩大应用领域，通用变频器的发展方向主要是多种控制方式兼容、开环/闭环都可用、适应性强、适用面广；通过功率母线技术、单元串联多电平、“无电网污染”的高压变频器、微机和人工智能控制等技术，提高了功率因数、减少了电网公害、改善了对环境的影响；可编程控制器（PLC）是一种非常普遍应用范围非常广泛的工业控制装置，通过PLC控制变频器的频率可以起到适应传动系统中对速度控制灵活性、准确性、可靠性等不同要求，这也是变频器研究的一个主要方向。

2 变频器在煤矿机电设备中的应用研究

2.1 变频器在煤矿带式输送机中的应用

煤矿带式输送机在启动加速、停车减速及负载变化或者其他情况导致张力变化时不仅会对电网电压造成冲击，而且动态张力波在胶带中传播和叠加导致输送机振动剧烈、机械损害严重，甚至会引起胶带断裂，缩短设备使用寿命。

运用变频器后电动机实现无级调速后，输送机加减速过程非常平滑，机械振动的强度大大降低，减少了设备维护量，延长了设备使用寿命；电流冲击小，通过移相变压器，实现了多脉冲整流，减小了对电网的冲击，且无功电流小，提高了电网的利用率；变频调速范围宽，可恒转矩运行，实现了重载是平稳启动，也可根据负载情况，自动调整输出频率和输出力矩，进一步降低输送机的能耗。

2.2 变频器在煤矿提升机系统中的应用

煤矿提升机系统在机械动力启动电机或部分连接到轴和齿轮时，将产生剧烈的振动，加剧机械部件的磨损，减少提升设备和电机的使用寿命；当电机直接启动时，瞬时电流为额定电流的好几倍，不仅会加大电机绕组电应力，产生的大量热量，减少电机的寿命，而且瞬时的浪涌电流、电压波动巨大，引起电网的峰谷差较大，且可能导致同一电网上其他电压敏感设备产生故障跳闸或异常运行。

利用变频调速技术，模拟低频发电机的运行方式，在保持输出频率不变的情况下，根据控制要求和实际运行速度，控制变频器输出电压的信号变化，自主调控提升机的升降状态，不仅可实现平稳可靠的制动，大大减少了机械部件的振动冲击和磨损，而且可使提升机实现软启动，科学合理的改变电机的运行速度，以适应不同的负荷要求，可平滑加速和减速，保证提升机安全平稳的运行。

2.3 变频器在煤矿通风机系统中的应用

通风机是煤矿安全生产的主要大型设备，它不仅要确保巷道通风顺畅，有充足的新鲜风量供井下人员呼吸，而且可以将煤层中渗出的各种有害气体从井下排除，使其浓度降低到无害于人体的程度，因此必须每天24小时不间断运转。但是随着矿井工作面的开采和掘进巷道的不断延伸，要求风量不断加大，风机功率也将加大，而且随着四季的交替，冷热的变化，矿井所需的风量也需要不断调节，所以一般煤矿通风机及电动机的功率设计都远大于正常生产所需要的运行功率，这就造成了电源的极大浪费。

高压变频器应用在煤矿主通风机系统后，调速平滑方便，实现了软启动和停止，不仅降低了对电网的冲击，避免了因主扇风机直接启动，瞬间电流过大，可能烧坏电动机的现象；而且风机运行是的电气冲击和机械强度也大大降低了，延长了风机的使用寿命；变频器根据井下的实际需求的风量，调节电机转速，低速输出转矩加大，实现了高转矩宽调速范围驱动，避免了大马拉小车的情况发生，提高了系统运行效率，达到了节能效果，给企业带来了巨大经济效益。

3 总结

煤矿机电设备采用变频调速后，客服了设备重载多机启动电流大、各电机负载不均匀、容易引起电网电压的剧烈波动等现象，提高了电动机转速的控制精度和运行效率，减少了设备的维修工作量，增强了设备的安全性与可靠性，保证了企业的安全生产，节省了维修费用和大量的电能，增加了企业的经济效益。交流变频调速技术成为现代电力传动技术重要发展方向，越来越广泛的应用于工业生产和日常生活的许多领域。

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