机电设备中高压变频器的选型分析及应用研究

宋青东 李明 高俊梅

[摘    要 ]对于煤矿行业机电设备的整体发展而言，高压变频器发挥着十分关键的作用。同时，随着科技的不断发展，也相应拓宽了高压变频器的应用范围。为了让煤矿的产量得到切实提升，要求积极展开对于煤矿企业机电设备的研究，不断优化和改造煤矿机电设备的性能。为此，将以高压变频器为例展开分析，借助对于高压变频器选型及应用的深入分析，实现对于机电设备的有效优化，以促进煤矿行业产量提升，切实推动煤矿企业的长久发展。

[关键词]机电设备;高压变频器;选型分析

[中图分类号]TM921.51 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–00–03

[Abstract]For the overall development of electromechanical equipment in the coal mine industry， high-voltage inverters play a very critical role. At the same time， with the continuous development of technology， the application range of high-voltage inverters has been correspondingly expanded. In order to increase the output of coal mines， it is required to actively carry out research on the electromechanical equipment of coal mine enterprises， and continuously optimize and transform the performance of coal mine electromechanical equipment. To this end， the analysis will take the high-voltage inverter as an example， and with the in-depth analysis of the selection and application of the high-voltage inverter， the effective optimization of electromechanical equipment will be realized， so as to promote the increase of coal industry output and effectively promote the long-term development of coal enterprises.

[Keywords]electromechanical equipment; high-voltage inverter; selection analysis

我国煤矿行业机电设备电能资源浪费、调速方式落后的问题十分严峻，对煤矿机电设备的使用年限造成了极大的限制。为更好应对此类问题，让能源的损耗量得到有效控制，需要积极展开对高压变频器的选型应用研究。

1 高压变频器原理与选型

1.1 高压变频器原理

高压变频器作为一种控制仪器，其主要工作原理：充分利用电力半导体的性质进行控制，通过自动化的通断作用，让设备得以实现在不同频率之间的自由转换。该仪器具有诸多类型，可以按照相应的分类标准将其进行划分。高压变频器工作原理如图1所示，一般可以将高压变频器分成三种不同结构：也即变压器柜，功率柜和控制柜。其中功率柜一般由三组不同的功率单元构成，其主要功能为电压输出，根据功率等级的不同为其配置相应等级的电压;变压器柜则主要负责为功率柜内部功率单元进行能量输送;至于控制柜，则需要针对功率柜的功率进行持续化的调整，通过逆变控制和检测处理的形式保障高压变频器的稳定运行，以实现良好的设备控制效果。

1.2 高压变频器选型

1.2.1 按照功率进行选型

以功率为依据进行高压变频器选择，要求重点关注以下问题。

（1）需要充分关注电机的功率，盡量选择功率与电机功率相契合的变频器，以充分保障高压变频器的运行效率。

（2）一旦无法将高压变频器的功率和电机的功率控制在相同的分级范围内，则需将变频器的功率保持在与电机功率相近的范畴内，同时要求将变频器功率控制在比电机功率稍大的界限上。

（3）对于长期处于制动运行状态之中的电机，为更好适应其反复启动和重载的问题，要求为其配备功率相对较大的变频器，以保障变频器运行的稳定性，切实提升变频器运行过程中的安全性。

（4）如果在检测后发现电机的功率仍然留有很大的设备运行空间，则可以选用功率相对较小的变频器。但是在此过程中需要充分关注瞬时峰值电流，避免对过电流造成过多的保护动作。

（5）如果无法将电机功率和变频器功率保持一致，则需针对已设计完成的节能程序展开灵活调整，从根本上提升节能的有效性。

1.2.2 按照控制方式进行选型

（1）变频调速系统通常由异步电机和通用的高压变频器构成，一般而言，可以将变频调速控制系统分成开环控制和闭环控制两种不同的控制模式。其中开环控制借助U/f控制高压变频器和无速度传感器实施系统控制，前者往往只具备一般性的功能，而后者则主要用于矢量控制之中。采取开环控制的方式实施管控，其运行方式相对较为稳定且控制系统构造较为简单，但是由于相应的动态响应特性有待提升、掉速精确度较低，且此类问题在低速区域中表现得尤为明显，因此，只能在精度标准较低的区域应用开环控制的方法。

（2）闭环控制一般包括有速度传感器矢量控制、U/f控制变频器控制高压变频器，且在高压变频器中配备有PID控制器，表现出良好的控制性能，已经广泛运用于压力、张力、位置、pH值、速度及温度等过程参数的控制过程之中。在使用具有速度传感器矢量控制装置的变频器时，需要在异步电机之上安装相应的编码器和速度传感装置，通过编码器或速度传感器的形式进行数据输出，将其输入到变频器之中，以构建一个完整的闭环系统。通过闭环控制的方式实施管控，可以发挥出良好的控制效果，能够针对1∶1000调速范围内的速度进行系统管控，同时，还可以在一定程度上提升转距控制的精确化程度。一般而言，闭环控制系统具有十分良好的性能，且动态反应的速度相对较快，因此可以广泛运用于需要特殊精度控制的领域。

1.2.3 按照负载种类进行选型

对于负载种类不同的高压变频器而言，其转速及转速与转距之间的关系也存在不同程度的差异。基于此，需要以负载种类为依托，进行高压变频器选择，以提升选择过程的科学性。就生产机械而言，按照其特性差异，可以将机械分成水泵及风机类降转距负载、功率恒定的负载和转矩恒定的负载等几种类型，其中转矩恒定的负载变频器可以在水泵及风机类负载中得到应用，但是属于降转矩负载类型的变频器则无法在转矩恒定的负载变频器中运用。利用U/f控制方式的形式可以表现出良好的功率恒定负载特性，然而却缺乏相应的恒功率负载变频装置。尽管如此，许多变频器却可以同时适用于多种不同形式的负载种类。

2 机电设备中高压变频器的实际应用

2.1 在采煤机中的应用

（1）在实施采煤作业时，经常会受到外界环境的影响，由于煤矿作业环境通常十分恶劣，对作业过程中的操作技术提出了更高的要求，使得采煤作业中各种突发事件频发。此外，在煤矿作业现场，经常会出现采煤作业情况难以适应作业环境的问题。为了在最大限度地保证采煤机的稳定运转，为采煤机提供一个安全的作业环境，要求煤矿企业积极关注现场环境的稳定性，妥善处理好采煤机和现场作业环境之间的协调工作。由于采煤机的操作流程十分烦琐，为此，要求在采煤工作实践中配备专门的技术人员进行采煤机操作，让采煤作业的安全性得以充分保障，以保证工作的顺利开展。

（2）高压变频器在采煤机中的应用十分广泛，在采煤机上安装高压变频器可以发挥出良好的作业效果，提升采煤机操作的简便性。同时，让相关人员可以以更加灵活便捷的方式控制采煤机，在一定程度上提升了煤炭的开采量。由此可见，借助高压变频器的形式可以有效推动采煤机的优化和升级，让采煤机的开采优势得以充分展现。在进行高压变频器安装后，采煤机在运行过程中所产生的能源消耗得到了一定程度的降低，表现出十分突出的节能效果。例如，在采煤机正常运行时可能会面临夹矸的问题，为更好应对此类问题，要求在选择具体的电机设备时将其功率控制在合理范围内，尽量确保电机的功率超出其所需的实际功率，将运转负荷控制在40%～50%。然而采取此种措施开展工作会造成极大的资源浪费，严重限制了电动机的运行效率。为此，可以针对高压变频器的结构和功能展开系统的优化设计，以便实现良好的节能效果，让电动机的节能效用得以充分展现。

2.2 在矿井提升机中的应用

（1）现阶段，矿井提升机已经在煤矿行业、金属矿藏领域和非金属矿藏领域中得到了广泛运用，可以用于提升或下放作业人员、煤炭、矿石及其他各类施工材料及工具。煤矿提升机的存在在一定程度上推动了煤炭开采工作的高效开展，其对于煤炭行业的价值与采煤机的作用不分高下。矿井提升机最重要的功能就是强化地面和地下的联系，为此，需要积极关注设备的灵敏度。然而，在生产实践中，由于采煤现场中的提升机往往使用时间较长，且未能及时进行维修和更换，对设备的灵敏度造成了一定影响。此外，在运行提升机时，应该重点关注对设备速度的把控，以降低安全事故的风险。

（2）由于矿井提升机在运行过程中存在上述问题，因此可以在机器上面安装高压变频器，借助变频器的形式，充分利用其调速技术，实现对于提升机控制系统的优化和完善，以实现对于提升机运行速度的科学管控。在实际调速时，可以借助发动机启动和发动机转速调节的形式，让矿井提升机的负荷需求得到切实满足。借助变频器的调节控制作用，可以提升矿井提升机运行过程中的稳定性，提高运行过程中信号处理和制动运行的速度，同时提升机器整体的灵敏性，以充分保障矿井提升器的综合性能。

（3）以往的煤矿提升机一般借助绕线电机串电阻的形式进行速度控制，在使用煤矿提升机时，由于转子电路中串联电阻的存在，可能导致大量的资源和能源浪费。在煤矿机电设备之中，应用高压变频器可以发挥出良好的节能优势，针对高压变频器的功能和结构进行优化调整，可以充分提升煤矿提升机的节能效果，以更好应对电力资源浪费的问题。

2.3 在煤矿通风机中的应用

（1）在煤矿开采工作中，煤矿通风机是十分重要的一個设备，利用煤矿通风机可以有效提升井下开采环境的安全性。为了切实保障煤矿开采现场的安全性和稳定性，要求将通风机保持全天候的通风状态。然而，在开采实践中，有许多企业无法将通风机保持在全天候的运转状态，导致开采现场难以充分通风。部分企业为了降低生产成本，只有在开采过程中才打开通风机设备，一旦开采人员休息，就立即关闭通风机，使得矿下的整体通风条件相对较差，无法实现良好的通风效果，为开采人员的生命和财产安全带来了严重的安全隐患，限制了煤矿生产的安全性和稳定性。

（2）对于企业生产而言，生产成本控制十分关键。为更好地达到成本控制的目标，要求煤矿企业针对通风机设备予以改造，将高压变频器安装到通风机设备上，不仅可以有效降低通风机的能源损耗，还能在一定程度上减少因电网而导致的通风机损伤，延长通风机设备的使用寿命。在通风机上安装变频器设备，可以有效解决通风机耗能问题，最大限度地节约生产成本。此外，还可以有效减少井下煤炭开采过程中的安全隐患，让煤炭开采过程的安全性得到充分保障。

3 结束语

总而言之，在我国大力倡导节能减排的背景下，要求煤矿企业在日常生产实践中提高对于节能问题的关注，积极进行节能环保改造。为此，要求相关企业在机电设备中强调高压变频器的选型和运用，通过科学合理的选型运用，让煤矿企业机电设备的灵敏度得到充分提升，以降低能源损耗，让设备得以维持安全稳定运行，从而促进设备使用年限提升，以发挥良好的节能减排效果。

参考文献

[1] 李跃.变频节能技术在煤矿机电设备中的应用探究[J].煤炭工程，2019，51（S2）：168-170.