大功率变频器在煤炭生产中的应用与展望

2014-09-02李晓林

科技视界 2014年12期

李晓林

（神华神东煤炭集团机电管理部，陕西榆林 719315）

0 引言

在经济全球化的影响下，社会对能源的需求也随之增加，能源的过度开采、能源的浪费使用及对于能源的分配和使用效率较低的现状受到我国政府的高度重视。煤炭行业作为能源的主要的支柱，也存在这同样的问题。众所周知，煤炭行业的耗电量极大，用电成本占据了其开采成本的很大比例，随着煤炭行业生产力的不断加大，煤矿逐渐向大型化、规模化方向发展，其生产设备也变得自动化，大功率化，部分设备的使用功率也逐渐提升到1140V、3300V甚至更大。生产设备对电能的需求越大意味着会有很大部分的电能会被浪费，这样大大的提升了煤炭的生产成本，节约电能已经成为煤炭行业需要解决的重要问题。大功率的变频器的使用很好的解决了现有的问题，很大程度上解决了电能的浪费问题。在煤矿中的通风机、胶带机、主提升机、刮板运输机等设备上用用变频器，都会提高设备性能，改善工作条件，提高使用效率。随着我国科技的不断进步，利用大功率变频器能够改造煤炭行业、减少生产成本、创造效益，由于大功率变频器的对煤炭行业的特殊作用，使得变频器已经被各大煤矿广泛的应用。

1 大功率变频器的工作原理与分类

变频器是利用电子器件的接通与断开的作用，将工作电能频率变换为特定的使用频率的装置。大功率变频器主要控制器、冷却器和处理器等组成。控制器主要包括主电路和主电路，主电路包括整流器、滤波回路、逆变器和制动单元，整流器的功能是把工频电压变换为直流电压，其功率的传送是不可逆的，也就是说只能实现一个方向的变化，不能将直流电源变化为工频电源；滤波回路的功能是抑制整流器和逆变器中的直流电压产生波动；逆变器的作用与整流器相反，其功能是在在一定时间范围内，将控制开关有规律的开启和关闭，将现有的直流功率转变为生产设备所需的交流输出功率；异步电机在运行时会有再生能量的产生，制动单元的功能是消耗额外的多余功率，避免回路电压指数超过最大值。变频器的中的器件工作效率都是在一定温度内的达到最佳效果，冷却器的功能是防止变频器内温度过高，降低工作温度。

随着我国各行业对大功率变频器的广泛使用，市场上也销售着各种不同形式的变频器。根据不同的性能可以分为不同的变频器，根据输出电压的不同可以分为低压变频器、中压变频器和高压变频器，输出电压在1-500V为低压变频器，输出电压在500-10000V为中压变频器，输出电压在10000V以上的为高压变频器。根据电路形式可分为双交型变频器和交变交型变频器，双交变频器的特点是效率高，电压做得很高，且容量大，但这种变频器输出频率较低；交变交变频器主电路部分主要包括交流输入整流、平滑滤波和三相逆变电路三部分，在整流与逆变之间采用大电感作为中间直接滤波环节，组成电流源型变频器，在大型煤炭行业应用较为广泛。

2 大功率变频器在煤炭生产中的应用必要性

随着我国煤炭能源的需求增加，对煤矿的开采也逐渐加大，目前，我国的大小煤矿有两万多个，其中国有的大型煤矿有五千多个，大部分煤矿是在建国初期就已经开采，生产设备相对落后，设备运行时的耗电量太大，而且有部分电量都被浪费。由于煤矿的的建设时的工艺要求差异与煤矿的开采量范围较广，使得生产设备长期低负载、低效率工作。在煤矿行业中许多设备都需要大功率的变频器，以此调整启动电流、减小电能消耗，提高生产效率，增加设备的使用寿命，比如初期煤炭开采中使用的通风机，通风机总是被调整到使用的最大风力和风量，以达到最大距离的使用，而这样很大程度浪费电能成为普遍现象，而使用大功率变频器后，根据不同的使用距离，通过变频调速调整到相应的风力和风向。由此可以看出，大功率变频器避免了煤矿行业的电能浪费，减少生产成本。另外变频器还大量应用于胶带机驱动，目前使用的500kW变频器用于控制胶带机启动已趋于成熟，1000kW及以上变频器也逐步开始应用。应用在刮板运输机上的变频器、电机一体机容量已达到1200kW，实现了刮板机的软启动和变频调速。

3 大功率变频器在煤炭生产中的应用与优势

煤矿中的生产设备可分为固定设备、采掘设备、运输设备等。固定设备由通风机、排水泵和矿井提升机等组成；采掘设备由采煤机、刮板运输机、转载机、破碎机、液压支架、泵站、连采机、掘进机、掘锚机及后配套设备等组成；运输设备由胶带机、破碎机、防爆车辆、特种车辆等设备组成。随着煤炭行业的改造，其对生产设备的要求也逐渐加大，要求生产设备工作稳定性强、能自主节约能源、便于维护与维修等，大功率变频器应用在煤炭设备中具有许多优势。

3.1 大功率变频器在通风机的应用

主通风机是煤矿开采中重要的安全设备，它负责开采过程中的通风工作，是所有开采工作人员和煤矿安全的综合保障，对高瓦斯矿井尤为重要。随着煤矿设计产能的提高，许多大型煤矿的年产量达到1000万吨以上，主通风机容量达到500kW以上，但主通风机采用直接启动方式，这种启动的优点装置简便、设备成本较低，但是这种启动方式将会对电网造成巨大电流冲击，严重破坏了矿井供电安全性能。这种启动方式，主通风机的驱动电机电流并不是线性的，通常启动电流是额定电流的4-7倍，若频繁启动对电机伤害较大，在通风阻力复核较大情况下易发生堵转情况，且常常会受到自然变化和电网波动的影响，抗干扰能力很弱，不能满足现在生产的需求。通风机的控制电路并不是闭环控制，不能自动的完成风力和风向的调节，无法保证地下开采通风的稳定行，造成了严重的电能浪费。与此同时，为了工作人员与矿井的安全，通风机始终保持大功率工作状态，这样增大了通风机的机械磨损、减少了通风机的使用寿命、大大的降低了运行和工作效率。随着煤炭开采范围不断增加、煤炭岩层的不断延伸，风量和风压需求增加，必须通过调整风叶角度来调节，调整时间较长，期间造成单风机运转，对煤矿通风安全带来隐患，且按照风叶刻度调整对风量、负压不易掌握，不能满足生产的使用要求。大功率变频器在通风机上的应用使得面临的问题得到有效的解决，具体的优势主要表现在：

（1）提高了矿产与人员的安全性。主通风机利用变频器的变频技术实现了控制系统的闭环调节，实现了通风机的软启动，使通风机的启动电流位于线性工作状态，避免了由于通风机启动时产生的瞬间高强电流对电网的冲击，很大程度上提高使用的安全性，为工作人员与煤矿提供了有力的安全保障。

（2）变频节能，减少生产成本。变频器应用于主通风机后，工作人员可以根据不同的季节、不同的工作距离，调节主通风机的风力、风压，大大的提高了电能的使用效率。同时，避免了通风机一直大功率工作状态，节约了电能，减少了生产成本，提高了经济效益。

（3）提高了设备的稳定性。通风机进行变频改造后，减少了电能的损耗、降低了电机启动电流冲击，避免了通风机的超负荷工作，大大的降低了通风机内部的机械磨损，降低通风机的维修费用，增加了通风机的设备的稳定性和使用寿命。

3.2 大功率变频器在胶带输送机上的应用

胶带运输机是煤炭运输中重要的设备之一，其负责煤炭从地下向地上的运输，胶带机的工作效率极大的影响着煤炭的生产效率。目前的煤炭行业中，胶带运输机的启动方式有直接启动、液力偶合启动、交流变频启动等多种方式，由于胶带运输机的皮带是一个弹性体，其内部储存很大的弹性势能，如果采用直接启动的方式，皮带内部储存的能量会随着皮带的张力很快释放出去，如此大的能量会对运输机的机架和传动系统造成很大的振动和破坏，严重时会发生断带、驱动滚筒与带面打滑冒烟等事故。利用液力偶合器虽然能解决运输机软启动的难题，但是液力偶合启动时，耦合器内部液体参与摩擦，造成耦合器内部高温，频繁启动易造成易融片融化，且对液体介质的清洁度要求较高。目前在胶带机上广泛使用的CST也类似此。另外对于多电机驱动的胶带机，液力耦合器或CST对于扭矩的分配不容易实现，无法做到功率平衡，影响设备运行稳定性。将大功率变频器应用到胶带运输机中，会很好的解决目前存在的许多问题，在神东公司已将变频器成功应用于连采胶带机，使160kW变频双驱动胶带机铺设长度达到了3200米，并成功在主运输系统上应用了1000kW的大功率变频器，拉运长度达到7000米以上。变频驱动胶带机的具体的优势表现于：

（1）加强胶带运输机设备的可靠性。大功率变频器的应用真正的实现了胶带运输机的软启动，电机的低速运转带动皮带缓慢启动，避免了皮带内部能量的快速释放，使皮带产生的张力很小，对皮带造成很小的伤害，延长了皮带的使用寿命。而且软启动会减小电流的冲击，很大程度上增加了胶带运输机的稳定性和可靠性。

（2）加大了对胶带运输机的功率分配。随着煤炭开采不断加深。在煤炭的运输中的功率也不断加大，变频器的应用很好的解决了多电机的使用功率分配，很好的实现了运输机的同步性。通过改变变频器之间的速度来调整电机之间的电流差值的大小，从而实现电机的功率分配。

（3）节约能量，避免浪费，提高效益。通过大功率变频器对胶带运输机的电机自动调速，合理的电机功率分配，避免了过多的电能消耗；对电机的软启动，减少了皮带的损耗，降低了设备的维修费用，从根本上节约能量，减少了生产成本，提高了煤矿行业的经济效益。

3.3 大功率变频器在煤矿提升机的应用

提升机是地下采矿和地上操作的连接纽带，其主要功能是完成工作人员、生产设备、工作材料和矿产的上下运送，提升机的良好工作对煤矿生产起着至关重要的作用。由于煤矿中的提升机的控制系统相对落后，控制精度比较差，在加减速阶段的速度控制性能不好，特别在负重变动时很难完成持续减速操作，经常会有意外事故的发生，提升机频繁的工作过程会使调速设备有严重的消耗，提升机内部器械容易损坏，提高了维护费用。使用变频器后的提升机解决了这些问题，主要优势表现在：

（1）提高了提升机的运动精度。变频器内部采用矢量闭环控制，控制精度高，能很好控制提升机的加减速过程，方便地控制机械传动的正向、反向和变速运行，避免了过卷和过放事故的发生。

（2）增强了提升机设备的稳定性和安全性。提升机是以电极转动，带到钢丝绳在矿井中上下运动，完成输送任务。提升机安装变频器后使得设备机械性硬，启动力矩较大，满足重载启动的要求，避免钢丝绳的断裂，从而增强了设备的稳定性和安全性。

3.4 大功率变频器在刮板运输机上的应用

刮板运输机是综采工作面的主要运输设备，其稳定性决定着综采工作面乃至全矿井的产量和效益，传统刮板机均采用液力耦合器或CST软启动。目前神东公司最大的刮板机是3*1600kW驱动，随着刮板机功率的增加，使用液力耦合器或CST产生的摩擦热量越来越大，故障率也曾上升趋势，至2009年以来，陆续采购3*1000kW变频三机、3*1200kW变频三机并将3*1600kW三机改造为变频三机，使用效果良好，变频刮板机的主要优势在于：

（1）变频控制可调速运行，调速范围较液力耦合器或CST更大、更方便，在低运量或空载时低速运行可达到节能的目的，液力耦合器或CST在刮板机上只用作软启动，调速操作复杂不易行。

（2）液力耦合器或CST用液力传动或控制摩擦传动，所以短时间内频繁启动可能导致高温，变频软启动无机械摩擦，可在刮板机“压死”时频繁停车、启动，可快速恢复生产。

（3）液力耦合器或CST虽然是“软”连接，电动机输出功率可做到大致平衡，但实际上各驱动链轮获得的转矩是有差别的，且无法实现闭环控制，影响电机、联轴器、链轮、链条等机械件的使用寿命，变频器可做到启动扭力平衡，运行功率平衡，实现电流、速度的闭环控制，不会出现连接齿套与输入、输出轴端“刷圈”，有效避免断链事故发生。

（4）变频驱动后期运行和维护成本低，CST需要定期化验液压油，并更换液压油，离合器片也是易损件。

（5）变频启动对电机冲击小，启动电流小于电机额定电流，采用液力耦合器或CST软启动瞬时电机电流约为额定电流的5-7倍。

4 大功率变频器在煤矿行业应用存在的问题

随着科研技术水平的提高，煤炭生产中对大功率变频器的应用已经十分广泛，取得很大的进步和良好的经济效益，但仍存在以下几点问题：

（1）在煤炭开采中，矿下的环境是潮湿、阴暗、多煤尘的，在主进风巷道中应用的变频器都为矿用一般型，防潮、防爆等级不够，这很大程度影响了生产的安全性。变频器长期处于潮湿、多尘的环境中，严重影响变频器的使用性能。在井下其他巷道中的变频器虽然使用了矿用隔爆型，但是由于隔爆箱体的应用，导致变频器散热能力较差，易出现高温老化，影响使用寿面。

（2）在煤炭生产中，交-直-交型主电路的变频器应用最为广泛，在电动机中定子绕组中有电感，而电感有持流作用，这就决定着在大功率变频器工作过程中，会对其他的生产设备有一定的电磁干扰。并产生谐波污染反馈到电网，这会对煤矿供电质量和用电设备安全带来很大的影响，有效措施有待于进一步探索。

（3）我国的变频技术已经取得十足的进步，但是在压变频器的技术性能、可靠性、稳定性和控制技术等方面与国外技术还有一定的差距，核心器件如IGBT等在我国并没有形成统一的生产线，所以大功率变频器的价格较高。