浅析煤矿主井提升电机冷却系统的变频调速技术改造

王建文

摘要：本文从一般变频调速技术的原理入手，分析介绍了煤矿主提升机冷却系统存在的问题，提出了改进方法，最后叙述了改进后的效果。

关键词：煤矿提升机;电机冷却;问题;改进

煤矿主提升机一般都是矿井的最大电力拖动设备，运行期间要消耗大量的电能，特别是在炎热的夏季，电动机自身的散热就成了一个大问题。如果不及时做好散热，那么就容易损坏电动机，提升系统的正常运行就受到了影响。对大型電动机的散热，有的安装局扇，有的则安装专用冷却系统。然而，对于这些专门的冷却设备来说，其长时间的连续运行，不但耗电量大，且还容易损坏，使得冷却保障性也不可靠。为此，为了节约用电，增加冷却系统的运行可靠性，对此提出了恒温变频调速改造的方案，这样前述问题也就迎刃而解了。本文在此，就煤矿主提升机冷却系统实施恒温变频调速改造的相关问题进行研究探讨，以期对同行们进行参考。

1 一般变频调速的基本原理

由于变极调速在调频范围、静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能和容易实现自动控制以及过程控制等方面，都比以往的变极调速、调压调速、串级调速、滑差调速和液力耦合器调速等具有较大的优势，也是公认的交流电动机最理想最有前途的调速方案，也代表着今后电气传动的发展方向。现对几种调速装置的性能加以分析比较。

1）变极调速的原理。该调速适用不要求平滑、连续和频繁调速的鼠笼型异步电动机。它是通过改变异步电动机定子绕组的极对数p，使电机同步转速n0改变（n0=60f/p，f为电网频率），以达到调速目的。优点：转差率小，转差损耗少，使用维护方便。缺点：不能有级和平滑调速，且级差较大。

2）串级调速的原理。在绕线式异步电动机的转子电路中串入一个与转子电势频率相同、相位相反的附加电势，通过改变转差率调节电机转速。串级调速装置可将转差功率转化为机械能加到负载。优点：效率较高，节电效果好;调速装置的容量与调速范围成正比，范围小时装置容量也小，成本也较低。缺点：可控硅串级调速功率因数低，且产生高次谐波，对电网有污染;内反馈串级调速需采用特制的内反馈绕线式电机，还要对绕线式异步电机进行改造。串级调速只适用于调速范围不大（70%～95%）的绕线式异步电机。

3）定子调压调速的原理。通过改变加在异步电机定子端的电压，使电机的机械特性发生变化，转差率变化，转速也将改变。优点：线路简单，运行比较可靠;调压装置体积小;使用维护简单;便于自动控制和远程操作。缺点：低速时转差功率损耗大，效率低;调速特性软;产生高次谐波，对电网有污染，对电机有影响。比较适用于大容量绕线式异步电机。

4）液力耦合器的调速原理。它适用于大功率、高转速的鼠笼式转子异步电机。液力耦合器是通过油在泵轮（电动机侧）和涡轮（负载侧）中的循环流动，泵轮将输入的机械能转化为油的动能和势能，涡轮则将该能转换为输出的机械能，以实现功率的传递。通过勺管调节油的循环量以调节涡轮转速。液力耦合器安装在电机与负载之间。可在电机转速恒定的情况下，无级调节风机的转速。优点：功率适应范围大，可以满足10～10000KW不同功率的需要;结构简单，改造投资不大;可空载起动，无高次谐波，对电网也无影响;调速范围为20%～97%，可以隔离电机和泵的振动，并缓和冲击。缺点：有滑差损失，属低效调速装置;滑差功率损耗变为油的热量使油温升高，需要冷却设备;低速、小功率的液力耦合器造价也高;效率低，其效率与转差成反比;液力耦合器达不到电机额定转速;调速精度差，且不稳定。

现大量使用的变频调速，就是利用变频器通过改变频率实现自动调节、调速的。它也是变极调速发展的高层次阶段产品。

2 提升机电机冷却系统的现状和存在的问题

某矿主井提升机电机为2300KW大型直流电机。电机通过轴流风机冷却，风机电机功率为75KW。为确保主电机冷却效果，系统设计时冷却风机采用恒转速直接启动方式来对主电机进行供风。在后期的日常维护过程中发现，在冬季设备运行时，温度较低，在确保主电机温度在正常范围内的情况下，要求的供风量较低，而由于冷却风机采用恒转速运转，供风量常年维持在最高水平。显然大大降低了设备的利用效率，设备运行的经济性也不高。另外，由于冷却风机采用直接启动方式，电机的启动电流为额定电流的5-7倍。在如此大的电流冲击下，接触器和电机的使用寿命大大降低，且启动时的机械冲击也容易对风机轴承、扇叶、风道等造成损坏。同时，噪声大，能耗又高等。为解决这一问题迫切需要寻求一种方式来降低电机启动电流，以降低能耗，减少设备的损坏率。

3 提升机电机冷却系统的改进方法

为了解决上述问题，通过先期的系统模拟，设计出了一套闭环自动控制系统。通过该系统能保证风机转速调节的及时性和准确性。该系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。即根据系统输出变化的信息进行控制，通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，再消除偏差以获得预期的系统性能，且抗干扰能力也强。

项目通过主提升电机内的温度传感器采集信号，传输至PID控制器的输入端。经采集的信号在PID控制器内与原设定值进行比较，利用差分信号控制变频器的输出频率，调节冷却风机的转速，以改变供风量，最终实现保证主提升电机在可靠的温度下运行。保证设备的安全、可靠运转。此次改造共使用PID控制器一台、变频器一台（带电抗器）、控制柜一台、交流接触器两台和电缆若干。

4 提升机电机冷却系统的改进后效果

项目实现后，可根据主电机的内部温度实时通过调整冷却风机转速来改变供风量，有效的提高冷却风机的运行效率，节能效果显著。另外，项目实现后因风机运行效率提高，可有效的延长风机的使用寿命。在原有系统不变的情况下，增加该系统，即冷却风机有两种运行方式：变频自动运行、工频自动运行，在系统出现故障时，可自动切换至工频运行。大大提高了系统运行的安全性、可靠性。

总之，该矿主提升电机的冷却系统经过实施变频调速技术改造以后，有效解决了散热性能不好、运行不可靠和耗电量大的系列问题，大大促进了主提升系统的安全高效运行，取得了显著的社会经济效益。

参考文献

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[2]荣信电力电子股份有限公司.高压变频器在九道岭煤矿交流提升系统的应用[J].变频器世界，2014，11：76-79.