煤矿机电设备中高压变频器的选型及实践应用研究

2018-05-18常昊

机械管理开发 2018年4期

常昊

（西山煤电集团公司西铭矿机电科，山西太原 030000）

引言

高压大容量电机被广泛应用于煤矿开采机械设备当中，并成为其主要的动力工具。在采煤机、提升机、通风机当中都安装有高压大容量电机来充当动力，查阅相关资料发现其能源消耗量为煤矿总能源的40%左右。我国煤矿机械设备中的机电设备采取的调速装置比较落后，无法满足当前国家节能减排的要求，造成了电能的大量浪费。综上所述，基于煤矿生产的实践应用，加强机电设备高压变频技术研发的应用是非常有价值的研究。

1 高压变频器的工作原理

通常情况把电压在3～10 kV的变频器称为高压变频器。在实际的使用状况下，实现高压变频器大都是采用串联叠加的方式[1]，即采用多台单相三电平逆变器串联连接，来实现输出可变频变压的高压交流电。通常情况下，在主电路中使用多种拓补结构来解决高压变频器的耐高压问题，所以也常常使用三电平、功率单元串联等拓补结构来命名高压变频器，如图1所示。

图1 功率单元串联高压变频器要示意图

2 机电设备中高压变频器的选型分析

高压变频器通过相应的拓补结构组合有多种类型，其在机电设备的应用过程中如何选型是一个关键问题。一般来讲可以依照相应的功率、负荷类型与控制方式等进行选型。

2.1 依据功率进行的高压变频器选型

依据功率进行选型的主要原则有：第一，变频与电机功率相等时，应依照有利于高压变频器高效工作的原则。第二，当变频与电机的功率相差较大时，需要依照高压变频器功率保持与电机实际工作功能相近的原则。第三，对于工作繁重或是启动频繁的电动机应选择大点的高压变频器。第四，电动机的工作功率有剩余时，需要选择功率较电动机小的高压变频器。第五，功率不同时还要进行节能调节。从功率的视角来对高压变频器进行选择是比较合理的，但需要考虑电机启动时峰值电流对变频器造成的影响。

2.2 进行变频器负载类型的选择

煤矿机电设备的负载情况是对高压变频器进行选择的一种途径。当前机电设备生产中主要是分转矩负载、恒功率负载和降转矩负载三种。一般通用的高压变频器能适用于机电设备的各类负载当中，恒功率负载是通过对U/f的控制来实现的。

2.3 根据控制方式来选择选型

在高压变频调速控制系统中，控制的方式主要有开环控制和闭环控制。开环控制多采用无速度传感器矢量控制和普通功能U/f控制的高压变频器[2]。开环控制模式的优点在于其结构简单，运行可靠性较高；其缺点在于调速的精度较差，动态响应性不高，不能很好的适用于低调速区域。闭环控制多采用有速度传感器矢量控制或带有PID控制器U/f控制的高压变频器，其控制方式的优点在于调速范围高、精度较高，动态响应性也高，缺点在于系统的适用范围只为相应的压力、速度和流量以及PH值等方向。

3 高压变频器在煤矿机电设备中实践应用

3.1 高压变频器在采煤机中的实践应用

采煤机是具有精密结构的机械设备，但是其工作环境十分恶劣，严重影响着其工作性能。当前的采煤机与PLC可编程控制器结合在一起实行全自动、全方位的检测监控管理，其工作性能大大增加。高压变频器在采煤机中的应用可以进一步对设备的运行情况进行调节，具有操作简单、灵敏操作高等优点。当前abb acs800系统、g5 g7系列以及西门子的水冷系列高压变频器已大量应用于国内的煤矿采煤机当中，通过一拖一或一拖二的调速模式实现其调速的目的[3]。

3.2 高压变频器在提升机中的实践应用

采用变频调速技术对提升机进行技术改造，对其控制系统进行调节，可以实现对提升机运行速度的控制。当提升机电动机在运用变频器控制之后，可以实现运行平缓、控制集运行、保护安全、处理信号、制动电子等功能与作用于一体，从而实现最终的节能效果。鸡西矿业集团的左有君等人对梨树煤矿中箕斗井绞车的电控系统进行高压变频器改造的实践应用后（如图2所示），发现其节能效果非常明显，改造后吨煤的电能消耗量降低了34.2%[4]，同时也节约了维修和管理费用。

图2 梨树煤矿高压变频调速箕斗井绞车示意图

3.3 高压变频器在通风机中的实践应用

煤矿通风机的作用在于对煤矿开采巷道提供风，涉及到整个煤矿的安全生产问题，必须加以重视和防范。通风机是煤矿的呼吸通道，随着开采任务的进行，其通风压力也越来越大。这时就需要对通风机的功率进行适当调整，但是容易造成电机的烧坏。高压变频器的结合应用就可以实现通风机电机的自由启动和停止，保障了供电系统的稳定性。在实际的高压变频器改进使用过程中，还需要考虑通风机运行的不间断性。