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高壓變頻器在煤礦機電設備中運用

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高壓變頻器在煤礦機電設備中運用

摘要:機電設備是煤礦的重要組成部分,為了加深對煤礦機電設備運行的了解,采用文獻查閱法分析煤礦機電設備中高壓變頻器的選型與運用,明確高壓變頻器的負載、功率、控制方式這3大選型依據(jù),以及它在提升機、輸送機、流體負荷設備中的實際運用,希望能夠強化煤礦機電設備節(jié)能改造,發(fā)揮設備的最大效能,提高煤礦生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞:煤礦;機電設備;高壓變頻器;節(jié)能;調(diào)速

0引言

煤礦機電設備普遍存在電能浪費現(xiàn)象,設備調(diào)速方式相對落后,縮短了煤礦機電設備的使用年限,降低煤礦企業(yè)綜合生產(chǎn)效益。為從根本上解決這些問題,減少電能消耗,在煤礦生產(chǎn)實踐中加強對高壓變頻器選型與運用的研究,強化高壓變頻器的節(jié)能與調(diào)速功能。因此,通過本文的研究,充分了解高壓變頻器對設備選型的重要意義與作用,更好的應用于企業(yè)生產(chǎn)中。

1高壓變頻器基本分析

變頻器主要是通過電力半導體器件本身帶有的通斷作用,讓工頻電源能直接替換成為另外一種頻率的電能控制裝置。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)以及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,高壓大功率的變頻調(diào)速裝置也逐漸成熟起來,在各領(lǐng)域得到充分的應用,原本很難解決的高壓問題,在最近幾年利用單元串聯(lián)或者期間串聯(lián)都得到了妥善的解決。高壓變頻器包含了諸多種類。根據(jù)中間環(huán)節(jié)是否有直流部分,可將高壓變頻器劃分成交直交變頻器和交交變頻器;根據(jù)有無中間低壓回路,可以將高壓變頻器劃分為高低高變頻器和高高變頻器;基于直流部分的性質(zhì),可以將高壓變頻器劃分為電壓型變頻器和電流型變頻器;根據(jù)嵌位的方式,可以將高壓變頻器劃分為電容嵌位變頻器和二極管嵌位變頻器;根據(jù)電壓的用途和等級,可以直接將高壓變頻器劃分為高壓變頻器與通用變頻器。

2高壓變頻器在煤礦機電設備中的選型

高壓變頻器是以電力半導體通斷功能為基礎轉(zhuǎn)換頻率的一種控制儀器,通常由變壓器柜和功率柜、控制柜組成[1]。其中功率柜里有3組功率單元,負責輸出所需電壓,變壓器柜則給功率柜提供內(nèi)部功率單元所需能量,控制柜對功率進行不斷的整流、逆變及檢測等處理,工作原理如圖1所示。在煤礦機電設備方面運用高壓變頻器,如何選型是關(guān)鍵性問題,通常按照3種依據(jù)選型。(1)負載選型。依據(jù)煤礦機電設備負載,選擇高壓變頻器是重要選型途徑之一。機電設備負載主要有分轉(zhuǎn)矩、恒功率、降轉(zhuǎn)矩這3種,通常各類負載下的機電設備可選擇通用高壓變頻器,通過控制U/f實現(xiàn)恒功率負載[2]。(2)功率選型。如果變頻和電機功率相等,應選擇對高壓變頻器運行有利的類型;如變頻和電機功率存在較大差異,所選高壓變頻器的功率應和電機功能相近;如電動機啟動頻繁或工作頻繁,應選擇功率更大的高壓變頻器;如電機有剩余功率,所選高壓變頻器的功率應小于電動機功率;如功率不同,應考慮啟動電機時峰值電流對高壓變頻器產(chǎn)生的影響,做好節(jié)能調(diào)節(jié)工作。(3)控制選型。高壓變頻器的控制方式以開環(huán)控制、閉環(huán)控制為主[3]。前者主要使用無速度傳感器的矢量控制,以及普通的U/f控制方式,結(jié)構(gòu)簡單,有較高的運行可靠性,但調(diào)速精度較差,并且動態(tài)響應不佳,無法在低調(diào)速區(qū)域得到良好運用;后者主要使用有速度傳感器矢量控制、附帶PID控制器的U/f控制方式,調(diào)速范圍大、精度較高,并且有良好的動態(tài)響應性,只是適用范圍較小,僅限于對應壓力、流量、速度、pH值等。

3高壓變頻器在煤礦機電設備中的運用

在煤礦領(lǐng)域運用高壓變頻器,促進了電子技術(shù)、微機技術(shù)的融合,在機電設備和強弱電流混合時影響設備的電能消耗,使其更好地實現(xiàn)節(jié)能和安全運行[4]。高壓變頻器主要運用于礦井提升機、帶式輸送機、流體負荷類設備3個方面,通過具體的分析與探討,明確高壓變頻器的作用,達成既定的目標。

3.1運用于煤礦礦井提升機

在礦井提升機中運用高壓變頻器,可按照其輸出電壓信號的變動,實現(xiàn)對提升機升降狀態(tài)的自主調(diào)控[5]。例如,當提升機高壓運行時,高壓變頻器可通過低頻率運行讓低壓進入安靜狀態(tài),同時通過信號記錄顯示提升機高壓運行的信號。運用高壓變頻器還能滿足提升機軟啟動要求,科學調(diào)控其運行速度,保證其安全可靠地運行。在該過程中,要保留液壓機械制動,將其與高壓變頻器制動整合,原理如圖2所示。在提升機運行環(huán)節(jié),井下、井口務必要通過信號聯(lián)絡,沒有確認信號,不能讓提升機運行,運用高壓變頻器緩解采煤機的振動、沖擊,并通過變頻調(diào)速功能自動調(diào)控設備提升速度,大幅度提高工作效率[6]。

3.2運用于煤礦帶式輸送機

帶式輸送機在煤礦生產(chǎn)中是一種關(guān)鍵機電設備,需要大量電能支撐其運行,特別是煤礦長距離輸送消耗的電能更多,內(nèi)部制動器運行負荷極大。所以在帶式輸送機中運用高壓變頻器,可以促進長距離輸送的軟啟動和低速空載運行等的實現(xiàn),并使輸送機保持穩(wěn)定運行狀態(tài),達到自動連續(xù)工作的目的[7]。例如膠帶輸送機是煤流運輸系統(tǒng)最主要的設備,液力耦合器在工頻的拖動下傳動,交流電機就是其動力裝置,不過其啟動電流較大、傳動效率較低、機械沖擊較大,加上輸送距離長、負載重、傾角大,容易引發(fā)重載或帶載啟停問題,提高跑帶、斷帶等事故的發(fā)生率。運用高壓變頻器能實現(xiàn)帶式輸送機的軟啟動,使其平穩(wěn)啟動、平穩(wěn)運行,通過變頻控制徹底消除原有安全隱患。西山煤電集團為了進一步加快轉(zhuǎn)型發(fā)展進程,就針對多座煤礦進行了改造。所屬煤礦選擇使用西門子羅賓康高壓變頻器、減速器,以及國內(nèi)的高壓電動器,變頻器電壓為6kV和10kV(分別為36和48脈沖整流,實現(xiàn)帶式輸送機軟啟動和變速運行,提升自動化水平和可靠性。礦內(nèi)所使用的帶式輸送機,因為有中間驅(qū)動,其實際的功率超過10000kW,驅(qū)動單元直接安排在中間和頭部,頭部3臺電動機驅(qū)動2個滾筒,中部3臺電動機分別驅(qū)動3個滾筒;變頻器都安裝在頭部井口,中間驅(qū)動通過電纜連接變頻器;其他2條都是頭部驅(qū)動,4臺電動機驅(qū)動2個滾筒,每條帶式輸送機都配有1個備用變頻器或備用驅(qū)動,滿足帶式輸送機軟啟動以及變速運行的要求,最終提高帶式輸送機的技術(shù)水平與相應的性能。主要參數(shù)見表1。帶式輸送機搭配高壓變頻器,可以滿足軟啟動的要求,實現(xiàn)帶式輸送機的變速運行,并且高壓變頻傳動效率良好,啟動性能佳,擁有較強的自動化控制能力。西門子羅賓康高壓變頻器可承受45%的電源電壓下降,而增加1臺備用變頻器,可大幅提高變頻傳動和傳動系統(tǒng)的可靠性。

3.3運用于流體負荷類設備

煤礦機電設備系統(tǒng)中的流體負荷類設備主要有礦井水泵、通風機等。在水泵中運用高壓變頻器,可以平滑控制其啟停狀態(tài),節(jié)省維修費用。因為水泵負責抽送礦井中的液體,把機械能轉(zhuǎn)變成液體能量,它不僅可以輸送液體,還能使液體增壓,在煤礦的給水與給液中起到重要作用。以前水泵的空轉(zhuǎn)時間較長,啟停頻繁,耗費大量電能,經(jīng)常發(fā)生故障,運用高壓變頻器可以有效控制其啟停和減速,讓礦井下的液位保持穩(wěn)定狀態(tài),縮短水泵空轉(zhuǎn)的時間,提高其運行效率,減少故障,操作簡便。在通風機中運用高壓變頻器,可以根據(jù)礦井的采掘工作面、開拓布局等情況,根據(jù)礦井生產(chǎn)需求靈活調(diào)整整個通風系統(tǒng)的負壓、風量,確保通風機安全運行。通過對相關(guān)參數(shù)的綜合考慮,多余轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生對應功率消耗,利用高壓變頻器調(diào)節(jié)通風機的入口和出口擋板、水泵,進而調(diào)節(jié)礦井中風和水的壓力、流量等參數(shù),達到節(jié)能減排的效果。在礦井流體負荷類設備中運用高壓變頻器,發(fā)揮高壓變頻器的變頻調(diào)速功能,加強電能強弱控制與管理。運用電力半導體器件通斷,能在控制工頻電源的過程中形成電能控制裝置。通過煤礦風機交流就能把電壓變成普通直流電壓,通過頻率的改變和電壓的實現(xiàn),形成驅(qū)動電能,出現(xiàn)無極調(diào)速電壓需求點,創(chuàng)新機電設備調(diào)速方式。除此以外,在高壓變頻器的綜合運用中,改變煤礦機電設備負載,可以形成自動化減速模式,特別是運用現(xiàn)代化技術(shù)更換功率器的GTR和IGBT等控制方式,形成智能化功率模塊,創(chuàng)新網(wǎng)絡化處理,再通過處理數(shù)字信號、高級集成電路,形成有效的基本調(diào)速控制方式,依托計算機系統(tǒng)中的編程處理、參數(shù)識別等方式,獲取自動化運行效果。

4結(jié)語

在煤礦機電設備中選擇合理的高壓變頻器,是煤礦企業(yè)在煤礦生產(chǎn)中運用高壓變頻技術(shù)的核心。通過在主要系統(tǒng)中廣泛使用變頻技術(shù),不僅改善機電設備的性能,提升了礦井裝備水平,確保煤礦安全生產(chǎn)、節(jié)能增效,為煤礦企業(yè)順利完成生產(chǎn)目標提供可靠支撐。然而當前高壓變頻技術(shù)的發(fā)展水平對持續(xù)提升煤礦機電設備運行效能而言還遠遠不夠,在今后的研究中應持續(xù)改進高壓變頻設備,提高變頻技術(shù)運用水平,確保高壓變頻器更好地服務于煤礦機電設備,優(yōu)化煤礦生產(chǎn)。

作者:吳貴鵬 單位:山西晉神沙坪煤業(yè)

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