变频器在矿用机械设备中的应用探析

俞国弘

[摘 要]矿用生产往往是多小时连续作业，即使短时间的停机维修也会给生产带来很大损失。矿用机械设备的技术改造要求迫在眉睫。鉴于提升绞车的特殊性，本文将研制开发矿用机械设备系列变频器，用该系列变频器对原矿用提升机进行改造，具有良好的安全运行及节能效果。

[关键词]变频器；矿用机械设备；应用

中图分类号：U463.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0032-01

现在大多数矿用机械设备还在沿用传统的线绕转子异步电动机，用转子串电阻的方法调速。这种系统属于有级调速，低速转矩小，转差功率大，起动电流和换挡电流冲击大；中高速运行振动大，制动不安全不可靠，对再生能量处理不力，斜井提升机运行中调速不连续，容易掉道，故障率高，因此，开发原矿用机械设备势在必行[1]。

1 使用矿用机械设备系列变频器的优点

1）可以实现电动机的软起动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠。2）起动及加速换档时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作、降低了工人的劳动强度。3）运行速度曲线成S形，使加减速平滑、无撞击感。4）安全保护功能齐全，除一般的过电压、欠电压、过载、短路、温升等保护外，还设有联锁、自动限速保护功能等。5）设有直流制动、能耗制动、回馈制动等多种制动方式，使安全性更加可靠。6）该系统四象限运行，回馈能量直接返回电网，且不受回馈能量大小的限制，适应范围广，节能效果明显[2]。

2 变频器在矿用机械设备应用的原理

该系统的运行过程主要分为两个过程：1）绞车电机作为电动机的过程，即正常的逆变过程。该过程主要由整流、滤波和正常逆变三大部分组成。其中，正常逆变过程是其核心部分，它改变电动机定子的供电频率，从而改变输出电压，起到调速作用。2）绞车电机作为发电机的过程，即能量回馈过程。该过程主要由整流、回馈逆变和输出滤波三部分组成。其中，该部分的整流是由正常逆变部分中IGBT的续流二极管完成。二极管VD1和VD2为隔离二极管，其主要作用是隔离正常逆变部分和回馈逆变部分[3]。电解电容C2的主要作用是为回馈逆变部分提供一个稳定的电压源，保证逆变部分运行更可靠。回馈逆变部分是整个回馈过程的核心部分，该部分实现回馈逆变输出电压相位与电网电压相位的一致。因为回馈逆变输出的是调制波，故为保证逆变的正常工作以及减少对电网的污染，我们增加了一个输出滤波部分，使该系统的可靠性更加稳定。鉴于矿区电压的波动性可能比较大的事实，由于变频器的回馈条件是要和电网电压有一个固定的电压差值，假若某时刻电网电压比较高，再加上回馈时的固定电压差值，则此时变频器的母线电压就会达到一个比较高的电压值：如果再有重车下滑，则母线电压会更高。此时的高电压就有可能威胁到变频器的大功率器件的安全，为此，该系统又加了一个刹车部分，以保证变频器的安全[4]。

3 工程应用

3.1 矿用提升机概况

矿井提升机是煤矿、有色金属矿生产过程中的重要设备。提升机的安全可靠运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。目前，大多数中小型矿井采用斜井串车提升，这种提升方式建井快、地面布置简单、投资少。传统斜井提升设备采用绕线转子电动机串电阻调速，电阻的投切用继电器-交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头氧化，引起设备故障[5]。

矿山井下采矿作业，采好的矿石通过斜井用串车拖到地面上来。串车与火车的运货车厢类似，只不过高度和体积小一些。在井口有一提升机，由电动机经减速器带动卷筒旋转，钢丝绳在卷筒上缠绕数周，其两端分别挂上两列串车车厢，所示为提升机卷简机械传动系统结构示意图，在电动机的驱动下将装满矿石的列车从斜井拖上来，同时把一列空车从斜井放下去，空车起着平衡负载的作用，任何时候总有一列重车上行，不会出现空行程，电动机总是处于电动状态。这种拖动系统要求电动机频繁地正反转起动、减速制动，而且电动机的转速按一定规律变化。斜井提升机的动力由75kW绕线转子电动机提供，采用转子串电阻调速。绕线转子电动机转子串电阻调速，是消耗转差功率的调速，是耗能的低效调速方式。

3.2 提升机工作过程

提升机无论是正转，还 工是反转其工作过程是相同的，都有起动、加速、中速运行、稳定运行、减速、低速运行、制动停车等七个阶段。每提升一次运行，的时间，与串车的运行速度、加速度及斜井的深度有关，各段加速度的大小根据工艺情况确定，运行时间由操作工人根据现场的状况自定。

（1）第一阶段0～t1。串车车厢在井底工作面装满矿石后，发联络信号给井口提升机操作工人，操作工人再回复信号到井底，然后开机提升。重车从井底开始上行，空车同时在井口车场位置开始下行。

（2）第二阶段t1～t2。重车起动后，加速到变频器频率为五的速度运行，中速运行的时间较短，只是过渡阶段，加速时间内设备如果没有问题，立即再加速到正常运行速度。

（3）第三阶段t2～t3。再加速段。

（4）第四阶段t3～t4。重车以变频器频率为以的最大速度稳定运行，一般这段过程最长。

（5）第五阶段t4～t5。操作工人看到重车快到井口时立即减速，如减速时间设置较短时，变频器制动单元和制动电阻起作用，不致因减速过快而跳闸。

（6）第六阶段t5～t6。重车减速到低速，以变频器频率为^的速度低速爬行，便于在规定的位置停车。

（7）第七阶段t6～t7。快到停车位置时，变频器立即停车，重车减速到零，操作工人发联络信号到井下，整个提升过程结束。

3.3 方案实施

斜井提升负载是典型的摩擦性负载，即恒转矩特性负载。重车上行时，电动机的电磁转矩必须克服负载阻转矩，起动时还要克服一定的静摩擦力矩，电动机处于电动工作状态，且工作于第一象限。在重率减速时，虽然重卒在斜井面上有一向下的分力，但重车的减速时间较短时，电动机仍会处于再生状态，工作于第二象限。当另一列重车上行时，电动机处于反向电动状态，工作在第三象限和第四象限。另外，如果单独运输工具、炸药到井下时，电动机也处于第二和第四象限。由上述可见，提升机的负载特性为恒转矩位能负载，起动力矩较大，选用变频器，由于提升机电动机绝大部分时间独处于电动状态，仅在少数时间有再生能量产生，考虑变频器接入制动单元和制动电阻，就可以满足再生制动、平稳的下行。井口还有一个圆盘机械制动器，类似于电磁抱闸，此制动器用于重车静止时的制动，特别是重车停在斜井的斜坡上，必须有圆盘机械制动器制动。

结论

总之，对于矿用机械设备变频器系统改造后效果明显，尤其是斜井单沟和直井矿井，节电率都在30%以上，同时变频改造后绞车运行的稳定性和安全性都大大增加，因此大减少了运行故障和维修时间，矿区的产量也提高不少，用户反应普遍较好。

参考文献

[1] 罗贞平.矿用机械式挖掘机技术探索[J].煤矿机械，2012，11：224-226.

[2] 陶勇.矿用机械滚动轴承润滑维护探索[J].煤矿机械，2012，12：192-194.

[3] 秦成绪，高龙，武景涛，陈闪.矿用机械设备高速滚动轴承优化分析[J]. 煤矿机械，2013，02：93-95.

[4] 孙鹏飞，侯大勇，康凯，魏学孔.静止变频器矿用在电机拖动中的应用研究[J].科技创新与应用，2013，14：36-37.

[5] 毛吉昌.矿用减速器的安装调试及维护[J].科技风，2013，19：39.endprint

[摘 要]矿用生产往往是多小时连续作业，即使短时间的停机维修也会给生产带来很大损失。矿用机械设备的技术改造要求迫在眉睫。鉴于提升绞车的特殊性，本文将研制开发矿用机械设备系列变频器，用该系列变频器对原矿用提升机进行改造，具有良好的安全运行及节能效果。

[关键词]变频器；矿用机械设备；应用

中图分类号：U463.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0032-01

现在大多数矿用机械设备还在沿用传统的线绕转子异步电动机，用转子串电阻的方法调速。这种系统属于有级调速，低速转矩小，转差功率大，起动电流和换挡电流冲击大；中高速运行振动大，制动不安全不可靠，对再生能量处理不力，斜井提升机运行中调速不连续，容易掉道，故障率高，因此，开发原矿用机械设备势在必行[1]。

1 使用矿用机械设备系列变频器的优点

1）可以实现电动机的软起动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠。2）起动及加速换档时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作、降低了工人的劳动强度。3）运行速度曲线成S形，使加减速平滑、无撞击感。4）安全保护功能齐全，除一般的过电压、欠电压、过载、短路、温升等保护外，还设有联锁、自动限速保护功能等。5）设有直流制动、能耗制动、回馈制动等多种制动方式，使安全性更加可靠。6）该系统四象限运行，回馈能量直接返回电网，且不受回馈能量大小的限制，适应范围广，节能效果明显[2]。

2 变频器在矿用机械设备应用的原理

该系统的运行过程主要分为两个过程：1）绞车电机作为电动机的过程，即正常的逆变过程。该过程主要由整流、滤波和正常逆变三大部分组成。其中，正常逆变过程是其核心部分，它改变电动机定子的供电频率，从而改变输出电压，起到调速作用。2）绞车电机作为发电机的过程，即能量回馈过程。该过程主要由整流、回馈逆变和输出滤波三部分组成。其中，该部分的整流是由正常逆变部分中IGBT的续流二极管完成。二极管VD1和VD2为隔离二极管，其主要作用是隔离正常逆变部分和回馈逆变部分[3]。电解电容C2的主要作用是为回馈逆变部分提供一个稳定的电压源，保证逆变部分运行更可靠。回馈逆变部分是整个回馈过程的核心部分，该部分实现回馈逆变输出电压相位与电网电压相位的一致。因为回馈逆变输出的是调制波，故为保证逆变的正常工作以及减少对电网的污染，我们增加了一个输出滤波部分，使该系统的可靠性更加稳定。鉴于矿区电压的波动性可能比较大的事实，由于变频器的回馈条件是要和电网电压有一个固定的电压差值，假若某时刻电网电压比较高，再加上回馈时的固定电压差值，则此时变频器的母线电压就会达到一个比较高的电压值：如果再有重车下滑，则母线电压会更高。此时的高电压就有可能威胁到变频器的大功率器件的安全，为此，该系统又加了一个刹车部分，以保证变频器的安全[4]。

3 工程应用

3.1 矿用提升机概况

矿井提升机是煤矿、有色金属矿生产过程中的重要设备。提升机的安全可靠运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。目前，大多数中小型矿井采用斜井串车提升，这种提升方式建井快、地面布置简单、投资少。传统斜井提升设备采用绕线转子电动机串电阻调速，电阻的投切用继电器-交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头氧化，引起设备故障[5]。

矿山井下采矿作业，采好的矿石通过斜井用串车拖到地面上来。串车与火车的运货车厢类似，只不过高度和体积小一些。在井口有一提升机，由电动机经减速器带动卷筒旋转，钢丝绳在卷筒上缠绕数周，其两端分别挂上两列串车车厢，所示为提升机卷简机械传动系统结构示意图，在电动机的驱动下将装满矿石的列车从斜井拖上来，同时把一列空车从斜井放下去，空车起着平衡负载的作用，任何时候总有一列重车上行，不会出现空行程，电动机总是处于电动状态。这种拖动系统要求电动机频繁地正反转起动、减速制动，而且电动机的转速按一定规律变化。斜井提升机的动力由75kW绕线转子电动机提供，采用转子串电阻调速。绕线转子电动机转子串电阻调速，是消耗转差功率的调速，是耗能的低效调速方式。

3.2 提升机工作过程

提升机无论是正转，还 工是反转其工作过程是相同的，都有起动、加速、中速运行、稳定运行、减速、低速运行、制动停车等七个阶段。每提升一次运行，的时间，与串车的运行速度、加速度及斜井的深度有关，各段加速度的大小根据工艺情况确定，运行时间由操作工人根据现场的状况自定。

（1）第一阶段0～t1。串车车厢在井底工作面装满矿石后，发联络信号给井口提升机操作工人，操作工人再回复信号到井底，然后开机提升。重车从井底开始上行，空车同时在井口车场位置开始下行。

（2）第二阶段t1～t2。重车起动后，加速到变频器频率为五的速度运行，中速运行的时间较短，只是过渡阶段，加速时间内设备如果没有问题，立即再加速到正常运行速度。

（3）第三阶段t2～t3。再加速段。

（4）第四阶段t3～t4。重车以变频器频率为以的最大速度稳定运行，一般这段过程最长。

（5）第五阶段t4～t5。操作工人看到重车快到井口时立即减速，如减速时间设置较短时，变频器制动单元和制动电阻起作用，不致因减速过快而跳闸。

（6）第六阶段t5～t6。重车减速到低速，以变频器频率为^的速度低速爬行，便于在规定的位置停车。

（7）第七阶段t6～t7。快到停车位置时，变频器立即停车，重车减速到零，操作工人发联络信号到井下，整个提升过程结束。

3.3 方案实施

斜井提升负载是典型的摩擦性负载，即恒转矩特性负载。重车上行时，电动机的电磁转矩必须克服负载阻转矩，起动时还要克服一定的静摩擦力矩，电动机处于电动工作状态，且工作于第一象限。在重率减速时，虽然重卒在斜井面上有一向下的分力，但重车的减速时间较短时，电动机仍会处于再生状态，工作于第二象限。当另一列重车上行时，电动机处于反向电动状态，工作在第三象限和第四象限。另外，如果单独运输工具、炸药到井下时，电动机也处于第二和第四象限。由上述可见，提升机的负载特性为恒转矩位能负载，起动力矩较大，选用变频器，由于提升机电动机绝大部分时间独处于电动状态，仅在少数时间有再生能量产生，考虑变频器接入制动单元和制动电阻，就可以满足再生制动、平稳的下行。井口还有一个圆盘机械制动器，类似于电磁抱闸，此制动器用于重车静止时的制动，特别是重车停在斜井的斜坡上，必须有圆盘机械制动器制动。

结论

总之，对于矿用机械设备变频器系统改造后效果明显，尤其是斜井单沟和直井矿井，节电率都在30%以上，同时变频改造后绞车运行的稳定性和安全性都大大增加，因此大减少了运行故障和维修时间，矿区的产量也提高不少，用户反应普遍较好。

参考文献

[1] 罗贞平.矿用机械式挖掘机技术探索[J].煤矿机械，2012，11：224-226.

[2] 陶勇.矿用机械滚动轴承润滑维护探索[J].煤矿机械，2012，12：192-194.

[3] 秦成绪，高龙，武景涛，陈闪.矿用机械设备高速滚动轴承优化分析[J]. 煤矿机械，2013，02：93-95.

[4] 孙鹏飞，侯大勇，康凯，魏学孔.静止变频器矿用在电机拖动中的应用研究[J].科技创新与应用，2013，14：36-37.

[5] 毛吉昌.矿用减速器的安装调试及维护[J].科技风，2013，19：39.endprint

[摘 要]矿用生产往往是多小时连续作业，即使短时间的停机维修也会给生产带来很大损失。矿用机械设备的技术改造要求迫在眉睫。鉴于提升绞车的特殊性，本文将研制开发矿用机械设备系列变频器，用该系列变频器对原矿用提升机进行改造，具有良好的安全运行及节能效果。

[关键词]变频器；矿用机械设备；应用

中图分类号：U463.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0032-01

现在大多数矿用机械设备还在沿用传统的线绕转子异步电动机，用转子串电阻的方法调速。这种系统属于有级调速，低速转矩小，转差功率大，起动电流和换挡电流冲击大；中高速运行振动大，制动不安全不可靠，对再生能量处理不力，斜井提升机运行中调速不连续，容易掉道，故障率高，因此，开发原矿用机械设备势在必行[1]。

1 使用矿用机械设备系列变频器的优点

1）可以实现电动机的软起动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠。2）起动及加速换档时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作、降低了工人的劳动强度。3）运行速度曲线成S形，使加减速平滑、无撞击感。4）安全保护功能齐全，除一般的过电压、欠电压、过载、短路、温升等保护外，还设有联锁、自动限速保护功能等。5）设有直流制动、能耗制动、回馈制动等多种制动方式，使安全性更加可靠。6）该系统四象限运行，回馈能量直接返回电网，且不受回馈能量大小的限制，适应范围广，节能效果明显[2]。

2 变频器在矿用机械设备应用的原理

该系统的运行过程主要分为两个过程：1）绞车电机作为电动机的过程，即正常的逆变过程。该过程主要由整流、滤波和正常逆变三大部分组成。其中，正常逆变过程是其核心部分，它改变电动机定子的供电频率，从而改变输出电压，起到调速作用。2）绞车电机作为发电机的过程，即能量回馈过程。该过程主要由整流、回馈逆变和输出滤波三部分组成。其中，该部分的整流是由正常逆变部分中IGBT的续流二极管完成。二极管VD1和VD2为隔离二极管，其主要作用是隔离正常逆变部分和回馈逆变部分[3]。电解电容C2的主要作用是为回馈逆变部分提供一个稳定的电压源，保证逆变部分运行更可靠。回馈逆变部分是整个回馈过程的核心部分，该部分实现回馈逆变输出电压相位与电网电压相位的一致。因为回馈逆变输出的是调制波，故为保证逆变的正常工作以及减少对电网的污染，我们增加了一个输出滤波部分，使该系统的可靠性更加稳定。鉴于矿区电压的波动性可能比较大的事实，由于变频器的回馈条件是要和电网电压有一个固定的电压差值，假若某时刻电网电压比较高，再加上回馈时的固定电压差值，则此时变频器的母线电压就会达到一个比较高的电压值：如果再有重车下滑，则母线电压会更高。此时的高电压就有可能威胁到变频器的大功率器件的安全，为此，该系统又加了一个刹车部分，以保证变频器的安全[4]。

3 工程应用

3.1 矿用提升机概况

矿井提升机是煤矿、有色金属矿生产过程中的重要设备。提升机的安全可靠运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。目前，大多数中小型矿井采用斜井串车提升，这种提升方式建井快、地面布置简单、投资少。传统斜井提升设备采用绕线转子电动机串电阻调速，电阻的投切用继电器-交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头氧化，引起设备故障[5]。

矿山井下采矿作业，采好的矿石通过斜井用串车拖到地面上来。串车与火车的运货车厢类似，只不过高度和体积小一些。在井口有一提升机，由电动机经减速器带动卷筒旋转，钢丝绳在卷筒上缠绕数周，其两端分别挂上两列串车车厢，所示为提升机卷简机械传动系统结构示意图，在电动机的驱动下将装满矿石的列车从斜井拖上来，同时把一列空车从斜井放下去，空车起着平衡负载的作用，任何时候总有一列重车上行，不会出现空行程，电动机总是处于电动状态。这种拖动系统要求电动机频繁地正反转起动、减速制动，而且电动机的转速按一定规律变化。斜井提升机的动力由75kW绕线转子电动机提供，采用转子串电阻调速。绕线转子电动机转子串电阻调速，是消耗转差功率的调速，是耗能的低效调速方式。

3.2 提升机工作过程

提升机无论是正转，还 工是反转其工作过程是相同的，都有起动、加速、中速运行、稳定运行、减速、低速运行、制动停车等七个阶段。每提升一次运行，的时间，与串车的运行速度、加速度及斜井的深度有关，各段加速度的大小根据工艺情况确定，运行时间由操作工人根据现场的状况自定。

（1）第一阶段0～t1。串车车厢在井底工作面装满矿石后，发联络信号给井口提升机操作工人，操作工人再回复信号到井底，然后开机提升。重车从井底开始上行，空车同时在井口车场位置开始下行。

（2）第二阶段t1～t2。重车起动后，加速到变频器频率为五的速度运行，中速运行的时间较短，只是过渡阶段，加速时间内设备如果没有问题，立即再加速到正常运行速度。

（3）第三阶段t2～t3。再加速段。

（4）第四阶段t3～t4。重车以变频器频率为以的最大速度稳定运行，一般这段过程最长。

（5）第五阶段t4～t5。操作工人看到重车快到井口时立即减速，如减速时间设置较短时，变频器制动单元和制动电阻起作用，不致因减速过快而跳闸。

（6）第六阶段t5～t6。重车减速到低速，以变频器频率为^的速度低速爬行，便于在规定的位置停车。

（7）第七阶段t6～t7。快到停车位置时，变频器立即停车，重车减速到零，操作工人发联络信号到井下，整个提升过程结束。

3.3 方案实施

斜井提升负载是典型的摩擦性负载，即恒转矩特性负载。重车上行时，电动机的电磁转矩必须克服负载阻转矩，起动时还要克服一定的静摩擦力矩，电动机处于电动工作状态，且工作于第一象限。在重率减速时，虽然重卒在斜井面上有一向下的分力，但重车的减速时间较短时，电动机仍会处于再生状态，工作于第二象限。当另一列重车上行时，电动机处于反向电动状态，工作在第三象限和第四象限。另外，如果单独运输工具、炸药到井下时，电动机也处于第二和第四象限。由上述可见，提升机的负载特性为恒转矩位能负载，起动力矩较大，选用变频器，由于提升机电动机绝大部分时间独处于电动状态，仅在少数时间有再生能量产生，考虑变频器接入制动单元和制动电阻，就可以满足再生制动、平稳的下行。井口还有一个圆盘机械制动器，类似于电磁抱闸，此制动器用于重车静止时的制动，特别是重车停在斜井的斜坡上，必须有圆盘机械制动器制动。

结论

总之，对于矿用机械设备变频器系统改造后效果明显，尤其是斜井单沟和直井矿井，节电率都在30%以上，同时变频改造后绞车运行的稳定性和安全性都大大增加，因此大减少了运行故障和维修时间，矿区的产量也提高不少，用户反应普遍较好。

参考文献

[1] 罗贞平.矿用机械式挖掘机技术探索[J].煤矿机械，2012，11：224-226.

[2] 陶勇.矿用机械滚动轴承润滑维护探索[J].煤矿机械，2012，12：192-194.

[3] 秦成绪，高龙，武景涛，陈闪.矿用机械设备高速滚动轴承优化分析[J]. 煤矿机械，2013，02：93-95.

[4] 孙鹏飞，侯大勇，康凯，魏学孔.静止变频器矿用在电机拖动中的应用研究[J].科技创新与应用，2013，14：36-37.

[5] 毛吉昌.矿用减速器的安装调试及维护[J].科技风，2013，19：39.endprint