变频调速技术在煤矿电机中的应用研究

张旭锋

（山西煤炭运销集团泰山隆安煤业有限公司， 山西 忻州 036600）

引言

对于我国各行业来说，煤炭企业消耗的电量是极多的，且消耗电力所需的成本投入也占据了其全部生产成本的极大部分，尤其是这一过程中的通风、提升以及排水等相关装置的耗电数量极大，约占整个系统耗电总量的75%左右。因受到开始装置型号选择的影响，不少装置实际运行时，无法满足最大生产能力的要求，造成电能出现极大的浪费。煤炭企业要想进一步节约成本、改善产品质量，必须通过采取节能降耗的相关措施。而通过应用变频调速技术，将煤炭企业中主要的耗能装置加以合理改造，对于企业的节能减排以及工艺的进步均有极为重要的作用。由于变频调速拥有非常优良的调速功能，且设备的开启与制动过程非常平稳，可以满足企业实现节能减排以及改善生产效率目标的相关要求。

1 变频调速技术的优势

以往煤矿开采过程中，所应用到的电机大多都是用直流的方式进行驱动的，且电机型号也都是直流串激型电动机。这种类型的电机拥有相对优良的牵引特性，若是负载转距变大，则电机的转速会有所减少。此种类型的电机共包含两种不同的调速方式：其一，是主回路串电阻方式进行调速；其二是直流斩波装置方式调节。采用主回路串电阻方式进行调速，相对来说较为简单，不过却会消耗较多的能量。若是采用直流斩波的方式进行调节，则能够明显减少能源的消耗。但由于直流电机自身存在一些缺陷，通过调速的方法还是不能避免。和以上两种方法比较而言，采用变频调速的方法，后序的维护工作相对少，电机启动过程中拥有相对大的转距值，可以更好地调节电机的转速，同时还能减少电能的消耗，有效节约成本。在进行调速的过程中，电机速度的变化非常平稳，对于电网所带来的影响相对较小，是未来电机调速的主要方式。由于采用变频调速的方法具备相对优良的节能性，更加符合现代工业中对于环保的要求。同时，在科技快速发展的过程中，变频调速设备的生产成本同样会不断降低[1]。所以，其在煤矿企业中的应用也定会更为广泛。

2 变频调速技术在煤矿电机中应用要点

1）当电机调速采用变频调速技术时，可能会形成一些较大的电流，从而对电机带来一定的损坏。一般情况下，当电源拥有相对大频率时，电机所拥有的转速也会增大，他们之间是存在正比例关联性的。若是想避免电流对电机造成损坏的问题，则能够通过应用正弦脉宽调节电路，应用此电路完成对电源频率的任意调节，同时还能对电机所拥有的转速进行任意的调节，并可以达到无级调速的目的。

2）在电机处于平滑的转速情况下极易发生死区问题。而经过相关研究表明，低奇次的谐波存在极易诱发电机出现死区问题。这种情况下，能够通过多重化的结构对此类问题加以解决。对于不同重所具有的相位差进一步优化或者是进一步的优化输出的波形等方法，均可以有效降低谐波的出现[2]。

3）变频调速方案。首先，能够应用AC/DC的调节方法，使得公共电网之中的交流电转化为直流电。再经由AC/DC的调节方法，将直流电再次的转化为交流电。此时的交流电频率能够达到负载的要求。

3 变频调速技术在煤矿皮带系统中的应用

泰山隆安矿井田面积20.319 6 km2，设计年生产能力240万t。我矿目前主运输皮带、北集中主运大巷输皮带，通过应用变频调速技术，以提高电机的功率因数，使电机效率能够被更加有效的利用[3]。

3.1 变频调速技术的原理

依据电机学的相关理论，电机所拥有的同步转速大小可以通过下式进行计算：

式中：p为电机中定子绕组所具有的磁极对数；f为电机的电源频率大小。

对于某一个电机来说，其所拥有的磁极对数相对来说是固定不变的。所以，若想调节同步转速，对电源的频率大小进行调节便能够实现。由此可知，电机的电源频率大小和同步转速之间的关系是成正相关的。若电机的电源频率不断增加，相应电机的转速也会不断增加。而若电机的电源频率不断递减，相应电机的转速也会相应的减小。上述通过对电源频率大小的调控，来改变电机转速的技术，便是变频调速技术。

而异步电机所拥有的转速公式为：

式中：s为电机所拥有的转差率。

若是电机所拥有的转差率是最优值，此时对电机所拥有的转速进行调节，同样可以通过对电机电源的频率进行调节。而要想使电机无论处于何种转速的条件下，都能够处于额定的磁通内运行，则应当在对电源频率调节的同时，保证对输出电压基波的幅值也进行同步呈比例的调节。通过改变定子供电频率的大小，完成对电机进行较宽范围之中的无极变速调整。

3.2 变频调速技术在集中主运大巷运输皮带中的应用

该皮带系统由于涉及到下山皮带，皮带缠绕比较复杂，因此在驱动过程中会产生能量回馈。南翼主运输皮带采用的是IPC控制系统，以及多台变频器共同驱动皮带运行，系统控制示意图如图1所示。

变频器主要负责根据皮带的负载情况，实时调节电机的功率，其是通过应用三角载波信号和相应的正弦信号进行比对，并将其当成是产生信号。若参考信号所拥有的幅值有所波动，那么，信号的脉宽同样会出现变化，也会导致回路之中的输出电压出现变化。采用此种技术对电机的转速进行调节，是最为常见的调节方法。若是参考信号频率有所波动，那其定会对输出电压频率的大小带来一定的影响。采用正弦脉宽调节方式对电机的转速进行调节时，其最突出的特征便是处于半周期之内脉冲的中心线距离值是一样的，同样脉冲的振幅也是一致的。而通过调整脉冲所拥有的宽度值，便能够确保正弦波下方相应的面积大小和，不同脉冲所拥有的面积之和是成正比例相关的。

图1 集中主运大巷运输皮带系统控制示意图

通过采用此种变频调节方式，不仅可以实现速度的精确控制，使其稳定运行，提高功率因数使电机效率得到有效利用，优化了皮带系统其他设备的使用寿命；而且能够良好的处理能量回馈，在很大程度上解决了多台变频器驱动过程中的功率平衡问题。能够保证在驱动过程中多台电机、变频器之间功率、转矩、转速、电流的相对平衡。

3.3 变频调速技术在北集中大巷皮带中的应用

我煤矿北集中大巷皮带走势基本平缓，坡度较小，因此采用电压型变频器控制系统控制。系统控制示意图如图2所示。

图2 北集中大巷皮带系统控制示意图

在变频调速各种方式中，采用V/F的调节方式是相对简便的。特别是对于转速的控制精度要求不高，且在对电机的动态性能要求不高时更为适用。所以，此种控制方法应用得最为广泛，在煤矿企业中用到的电机其负载类型是属于牵引型负。此种类型的电机不要求具有相对高精度的转速调控。因此，较为适宜通过V/F的控制方式对电机的转速进行调控。由于煤矿在井下开采作业中，巷道设计的长度通常很长，所以，电机的直流架线长度也相对较长，使得电机的供电电压会在相对大的范围内波动。所以，所应用的调速系统最适宜的是通过转速开环、电压闭环以及电流截止负反馈的调节方法，对电机的转速加以调节。采用此种调节方式，若是在电路中电机所存在的负载值较大或者是发生堵转问题时，此时电机的电流值将迅速增大，会较电机额定电流高出非常多。通过应用限制调节装置，能够有效控制电路中电流的大幅波动，可以有效保护电机以及调速设备。因为煤矿之中的直流架线距离值较长，所以，相应的供电电压值便在很大程度上受到了直流架线的长度影响，从而使供电电压值存在相对大的波动。在进行变频调速时，为了更好地满足电路中所拥有的这一特征。对于输出电压的调节时，采用闭路调节的方式，这样进行V/F调控的过程中，便可以确保压频比保持不变。

北集中皮带驱动系统于2015年年底开始调试，2016年2月投入使用。该系统是典型的电压型变频器驱动系统，很好的实现了传动皮带的平滑启动、无级变速。而且在驱动过程中可以实现速度的精确控制、稳定运行，同时提高了功率因数使得电机效率得到有效利用，并且优化了皮带系统其他设备的使用寿命。变频器自带欠压、过压、过流、过载、过热以及失速等各种保护功能。

4 结语

变频调节技术和电阻调速技术对比而言，拥有自身独特的优势，在运行过程中更加稳定，在使用期间也无需投入太多的维护成本，同时相关的调频设备投资也不大，未来在煤矿电机的调速中将会得到广泛的应用。

参考文献

[1]吴震，张文磊.变频调速技术在工业大型电机上的应用设计[J].科技视界，2016（12）：115-116

[2]李希芝，张则景，青玉芝，等.电机变频调速系统原理分析与改进[J].电工技术，2016（8）：51；74

[3]王刚.变频调速技术在煤矿电机中的应用研究[J].机械管理开发，2016（9）：89-90；140.