內(nèi)容摘要：本文論述了合康HIVERT高壓變頻器在煤礦行業(yè)上的改造與應(yīng)用。煤礦的運(yùn)輸設(shè)備主要包括提升機(jī)、皮帶機(jī)和鋼纜機(jī)，露天開采的鐵路機(jī)車，大型煤礦的直接汽車運(yùn)輸，但是皮帶機(jī)和鋼纜機(jī)仍然是大型煤礦的主要運(yùn)輸設(shè)備。
關(guān)鍵詞：恒壓控制 高壓變頻器 礦井提升機(jī) 皮帶機(jī) 主通風(fēng)機(jī)
前言
我國(guó)煤礦開采僅在2009年即耗能5086.81×10△t標(biāo)準(zhǔn)煤,耗電376.04×108kW?h,分別占全國(guó)總耗能量和總耗電量的3.86%和3.49%。所以，煤炭工業(yè)既是產(chǎn)能大戶,又是耗能大戶，同時(shí)也是節(jié)能潛力大戶。目前我國(guó)煤礦行業(yè)存在電機(jī)啟動(dòng)困難、機(jī)械損傷嚴(yán)重以及自動(dòng)化程度低等問題，迫切需要利用變頻技術(shù)進(jìn)行節(jié)能降耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，按節(jié)電率30%計(jì)，采用變頻調(diào)速技術(shù)年節(jié)電潛力至少為10×108～15×108kW?h。所以，利用變頻技術(shù)對(duì)現(xiàn)有電機(jī)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造，是解決我國(guó)煤炭工業(yè)高消耗、低效益的措施。
高壓變頻大環(huán)境
合康高壓變頻器具有瞬時(shí)停電跟蹤功能，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動(dòng)。同時(shí)具有低速輸出轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)、保護(hù)功能齊全、可靠性高、故障率低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。由于采用了高壓變頻控制技術(shù)，整個(gè)運(yùn)行過程平穩(wěn)、無級(jí)調(diào)速、乘坐舒適，減少了機(jī)械的沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，產(chǎn)生了非常可觀的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。
一、同步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的難點(diǎn)分析
通常同步電機(jī)啟動(dòng)有兩種方式：一種先投勵(lì)，同步啟動(dòng)；一種異步啟動(dòng)，后順極性投勵(lì)。對(duì)于同步電機(jī)變頻啟動(dòng)均采用先投勵(lì)，同步啟動(dòng)，但常會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置判斷不正確導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)失敗。針對(duì)同步電機(jī)變頻調(diào)速改造，很容易采用異步啟動(dòng)，順極性投勵(lì)方式，所以maxf變頻裝置對(duì)同步電機(jī)進(jìn)行異步軟啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)額定啟動(dòng)力矩，將同步電機(jī)啟動(dòng)到8Hz左右進(jìn)行順極性投勵(lì)，具體所投勵(lì)磁大小及投勵(lì)時(shí)頻率可以根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合調(diào)試確定。至此，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)間夾角經(jīng)過小量有阻尼震蕩后，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。變頻器按照預(yù)先設(shè)定的加速度，逐漸加速到給定頻率。此時(shí)，同步電機(jī)電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角逐漸拉大到某一常值，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁場(chǎng)的吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)起動(dòng)過程完成。
二、恒壓控制工作原理及系統(tǒng)方案
圖一是設(shè)備改造的系統(tǒng)圖。恒壓控制在控制理論上是一種跟隨控制，供水管網(wǎng)的出水壓力由壓力變送器（西門子）檢測(cè)之后，將其轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號(hào)送入變頻器，變頻器將根據(jù)被控量的實(shí)際值和期望值，按照PID調(diào)節(jié)參數(shù)中設(shè)定的PID參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，使被控量的實(shí)際值自動(dòng)跟隨期望值。使管網(wǎng)的實(shí)際水壓跟隨設(shè)定水壓變化，并動(dòng)態(tài)維持在設(shè)定水壓上。
為了保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，圖中的旁路柜，k1～k3采用聯(lián)鎖手動(dòng)隔離開關(guān)，當(dāng)變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障不能繼續(xù)運(yùn)行、兩級(jí)單元旁路后再有單元發(fā)生故障時(shí)，變頻器將立即封鎖輸出，并分?jǐn)嗌霞?jí)開關(guān)柜真空斷路器DL，操作人員對(duì)旁路柜進(jìn)行手動(dòng)切換在工頻狀態(tài)，再合上真空斷路器DL，將電機(jī)投入工頻電網(wǎng)運(yùn)行。開關(guān)設(shè)備各部分的投入和退出，仍應(yīng)嚴(yán)格按操作說明的規(guī)定進(jìn)行，不應(yīng)隨意操作，更不應(yīng)在操作受阻時(shí)，不加分析強(qiáng)行操作，否則，容易造成設(shè)備損壞，甚至引起事故。
圖一 變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
三、保護(hù)功能
HIVERT－Y10/029高壓變頻器在運(yùn)行中具有過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、缺相保護(hù)、半導(dǎo)體器件過熱保護(hù)和變壓器過熱保護(hù)的功能。
四、變頻器的使用
在節(jié)能降耗方面，由于該廠原有調(diào)速設(shè)備也是變頻設(shè)備，在節(jié)能方面沒有明顯的效果，在高壓變頻設(shè)備投產(chǎn)前，配水單位電耗平均約4.73 kWh/km3.m，設(shè)備投產(chǎn)后實(shí)際配水單位電耗約4.50 kWh/km3.m，下降0.23 kWh/km3.m，節(jié)能效率4.86％。另外使用了高壓變頻控制，也省了一臺(tái)400kVA變壓器的銅鐵損耗。
在使用中要注意清洗過濾網(wǎng)的工作，高壓變頻器柜門外裝有過濾層，用于阻擋粉塵進(jìn)入單元內(nèi)部。要經(jīng)常用一張A4紙檢查變壓器柜、功率單元柜進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量，看紙張是否能被過濾網(wǎng)牢牢吸住，如吸不住應(yīng)及時(shí)排除（檢查冷卻風(fēng)機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，更換或清洗過濾網(wǎng)）。應(yīng)定期維護(hù)間隔推薦為每半年一次，如灰塵較多，過濾網(wǎng)更換周期可縮短到一個(gè)月一次。
五、恒壓控制
作為礦井井下和地面的工作機(jī)械，礦井提升機(jī)（mine hoist）是一種大型絞車。用鋼絲繩帶動(dòng)容器（罐籠或箕斗）在煤礦井筒中升降，完成輸送物料和人員的任務(wù)。礦井提升機(jī)是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來。現(xiàn)代的礦井提升機(jī)提升量大，速度高，已發(fā)展成為電子計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)重型礦山機(jī)械，如圖二是礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)圖，圖三是改造后的礦井提升機(jī)工作原理。
圖二 礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)圖
圖三 改造后的礦井提升機(jī)工作原理
未改造的礦井提升機(jī)存在工作可靠性低、故障率高、穩(wěn)定性較差、能源消耗大等弊端。經(jīng)過高壓變頻器改造后的礦井提升機(jī)的工作步驟如下圖四。
圖四 改造后的礦井提升機(jī)的工作步驟
對(duì)于改造后的提升機(jī)無論正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)其工作過程是相同的，都有起動(dòng)、加速、高速穩(wěn)定運(yùn)行、減速、低速爬行、制動(dòng)停車等六個(gè)階段。每完成一次提升動(dòng)作所用的時(shí)間，與系統(tǒng)的運(yùn)行速度，加速度及斜井的深度有關(guān)。各段加速度的大小，根據(jù)工藝情況確定，運(yùn)行的時(shí)間由操作工人根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的狀況自定。圖中各個(gè)階段的工作情況如下：
1．第一階段 t1：串車車廂在井底工作面裝滿煤后，發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò)信號(hào)給井口提升機(jī)操作工人，操作工人再回復(fù)一個(gè)信號(hào)到井底，然后開機(jī)提升。重車從井底開始上行，空車同時(shí)在井口車場(chǎng)位置開始下行。
2．第二階段t2：重車起動(dòng)后，加速到變頻器的頻率為f2速度運(yùn)行，中速運(yùn)行的時(shí)間較短，只是一過渡段，加速時(shí)間內(nèi)設(shè)備如果沒有問題，立即再加速到正常運(yùn)行速度。
3．第三階段 t3：重車以變頻器頻率為f2的最大速度穩(wěn)定運(yùn)行，一般這段過程最長(zhǎng)。
4．第四階段 t4：操作工人看到重車快到井口時(shí)立即減速，如減速時(shí)間設(shè)置較短時(shí)，變頻器制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻起作用，不致因減速過快跳閘。
5．第五階段 t5：重車減速到低速以變頻器頻率為f1速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。
6．第六階段 t6：快到停車位置時(shí)，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò)信號(hào)到井下，整個(gè)提升過程結(jié)束。
以上為人工操作程序，也可按PLC自動(dòng)操作程序工作。利用合康HIVERT高壓變頻改造后的提升機(jī)工作可靠性提高了。由于變頻器采用的是進(jìn)口電子器件，壽命長(zhǎng)，且具有完善的保護(hù)功能，用于提升絞車控制時(shí)，其可靠性很高，減少了故障率。通常變頻器都采用磁通矢量控制，使得交流電機(jī)的調(diào)速性能控制精度非常高。穩(wěn)定的變頻技術(shù)應(yīng)用使提升機(jī)基本無維護(hù)工作量，減低了維護(hù)人員的工作強(qiáng)度。使用矢量控制系統(tǒng)能夠使調(diào)速范圍寬廣，屬于無級(jí)調(diào)速，低速時(shí)穩(wěn)定性好。采用變頻器控制提升機(jī)后，降低了運(yùn)行噪聲、發(fā)熱量，改善了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，而且使能源消耗大大降低。節(jié)能效果顯著，據(jù)實(shí)測(cè)可達(dá)到30%以上。電控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)變更控制內(nèi)容十分簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試容易。自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度和操作難度。
六、結(jié)束語
我國(guó)是世界上的產(chǎn)煤大國(guó)，也是噸煤電耗比較高的國(guó)家。由于技術(shù)、管理、體制等原因，大多數(shù)煤礦的勞動(dòng)力效率低下，對(duì)于我國(guó)的煤礦開采業(yè)應(yīng)以可持續(xù)發(fā)展為根本目的。通過許多的實(shí)際應(yīng)用案例表明，高壓變頻器應(yīng)用于煤礦系統(tǒng)改造能取得良好的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益。在國(guó)家倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的大形勢(shì)下，煤礦行業(yè)高壓變頻改造正在成為前途光明的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。合康HIVERT高壓變頻器以穩(wěn)定的質(zhì)量和良好的服務(wù)致力于與煤礦行業(yè)加強(qiáng)合作，共創(chuàng)美好的未來。
