浅谈煤矿变频控制技术的应用

乔海源，王 飞，任文清

(国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 榆林 719315)

0 引言

以改变交流电机工作电源频率的方式来控制交流电动机运行的电力控制设备称之为变频器，其主要组成部分为整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元和检测单元微处理单元。变频器靠内部IGBT(晶闸管)的导通与断开来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，随着煤矿自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。煤矿井下常用的变频器主要采用交-直-交变频方式，首先把工频交流电源通过整流单元转换为直流电源，再通过逆变单元将直流电源转换成频率、电压均可调节控制的交流电源，从而控制交流电动机转速、转矩，电压等级有660 V、1 140 V、3 300 V变频器，多用于胶带机、刮板运输机、泵站、采煤机牵引控制。

1 变频器原理

变频器是把输入电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可调节的交流电装置。为了产生可调节的电压和频率，该装置首先要把电源的交流电(AC)变换为直流电(DC)，这个过程称为整流，然后把直流电(DC)变换为交流电(AC)，此过程称为逆变。一般逆变器是把直流电源逆变为一定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器称为变频器。

变频器输出的电源波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速过程中，所以又叫变频调速器。异步电机转速公式

n=60f/p(1-s)

(1)

式中，n为电机的转速；f为电源频率；p为电机磁极对数；s为电机的转差率。其中转差率是电机结构决定的，不可随意调整。电机的极对数为奇数，在结构上设计为可调，但通常只能在2个极对数之间来回切换，即电机通常只可在2种速度之间切换，是有级变速。而频率是电机供电电源的电信号，该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由控制了。

变频器在节能方式上主要有以下几个方面。

变速节能：为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。电机正常启动情况下不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。在负荷偏低时，可降低电机的运行速度，使其在满足转矩要求的前提下节约电能。当电机转速从n1变到n2时，其电机轴功率P的变化关系如式(2)，由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。

P2/P1=n2/n1

(2)

动态调整节能：变频器迅速适应负载变动，供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有测控输出功能，可以始终保持电机的输出高效率运行。

调整V/F曲线节能：在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/F曲线(幅频曲线)，降低输入电流，达到节能状态。

软启动节能：在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，从电网吸收4～7倍的电机额定电流，而大的启动电流既浪费电力能源，又对电网的电压波动产生很大损害，增加了线路损耗和变压损耗。采用软启动后，启动电流可从零逐步增加至电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电能，也减少了启动惯性对设备的大惯量转速冲击，延长了设备的使用寿命。

提高功率因数节能：电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。采用变频节能调速器后，由于其性能已变为AC-DC-AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化，变频调速器对电网的阻抗特性呈低阻性，功率因数接近于1，减少了无功损耗。

2 变频器在煤矿井下机电设备上应用

2.1 变频器在综采采煤机上的应用

采煤机是煤矿综采工作面不可缺少的设备，长壁式采煤机按牵引方式可分为3种类型，即机械牵引、液压牵引、电牵引。机械牵引采煤机结构简单、适应性差、效率低，现基本淘汰；液压牵引采用液压泵、液压马达及阀组管路系统，结构复杂，液压件要求精度高，而且液压系统阻力大、泄露损耗大，总效率只有60%～70%左右；电牵引采煤机可分为直流电牵引采煤机和交流电牵引采煤机2种，具有控制简单、传动效率高，能够适用于各种地质条件，电牵引采煤机已成为采煤机发展主导方向。

采用直流电动机，用晶闸管调速装置改变直流电动机电枢回路的电压或磁通实现采煤机牵引速度的无级调速，具有调速性能好、控制响应快，能够实现各种保护、检测和显示，但直流电动机结构复杂，电动机电刷、整流子易磨损。

如今矿用采煤机牵引多采用交流电牵引方式，利用变频调速装置改变输入电机的频率、电压进行调速，大多采用交-直-交变频器控制。以美国JOY7LS采煤机为例，该采煤机变频系统由1个交-直整流电源模块BSM、2个直-交逆变器模块组成，控制2台交流牵引电机。当采煤机割煤时，由遥控器启动采煤机变频器，三相整流模块BSM将电源575 V交流电整流为800 V直流电压，经过电容器滤波，送至2个逆变器，逆变器将直流电压逆变可控三相交流输出频率、电压，给定牵引速度，可使采煤机在运输机上匀速往返割煤，当采煤机截割电机电流、温度超过额定值时，采煤机主机给变频器发出命令，强制减速，直到采煤机截割电机电流、工作温度在额定值以内，牵引速度恢复设定值；当采煤机牵引电机电流、温度超过额定值时，变频器自动降低输出频率，直到采煤机牵引电机电流、工作温度在额定值以内。

采用变频器控制采煤机牵引电机速度，具有过流、温度、负载平衡、漏电等完善电气设备保护，可以实现变频器0～120 Hz控制输出，而且控制反应灵敏、牵引转矩大、速度平稳等良好性能，不会造成截割电机堵转，对采煤机截割、牵引行星减速箱有良好缓冲性能，提高采煤机机械性能。

2.2 变频器在煤矿刮板机上应用

现煤矿综采工作面煤炭输送采用刮板运输机，刮板运输机重载启动频繁，经常造成重载不能启车、启动电流大越级跳闸故障，严重制约煤矿综采工作面正常生产。

刮板运输机的驱动方式有普通异步电动机高低速转换、TTT偶合、CST偶合以及变频电动机直接驱动等方式。其中最早使用的驱动方式是双速电动机，主要特点是低速启动，启动完成后转换为高速运转，其缺点是电机来回切换，影响正常生产，电机直接启动，启动电流大，对运输机刮板链条冲击大，容易造成刮板断链事故；TTT耦合器软驱动，受水质影响较大，传动效率低；CST偶合软驱动，设计复杂，故障较多；采用变频驱动，具有启动转矩大，运行平稳，检修方便等特点。

变频器驱动装置控制简单，刮板运输机正反转及速度调整都可在变频器控制菜单上修改，而不需要在组合开关上打隔离手把，操作方便、快捷，可实现电机100～1 800 r/s速度设定，当控制台发出刮板运输机启动指令时，顺槽组合开关将1 140 V交流电源送至变频一体机，通过内部接触器吸合后，对三相交流电源进行整流，然后通过逆变器逆变输出给电动机绕组，电动机按照设定转速运转。

带有变频电机的刮板运输机，通过程序可以改变转速与扭矩，可以减少机械部分的负荷，启动时产生的高扭矩电网负荷较低，可以在驱动装置间分配最佳的负荷，可实现无次数限制的启停，可以大幅度提高链条、链轮和溜槽的使用寿命，可以实现更长的工作面。

通过变频器可以设定刮板运输机以较低速度运行，检修工可方便查看运输机刮板、链条磨损情况；为了便于生产组织，当刮板运输机负荷增大时，刮板运输机运行速度下降，转矩增大，采煤机司机可以降低采煤机速度，实现连续生产；变频电机启动转矩大、启动电流小，可满足综采刮板运输机重载启动，而不影响电网电压；变频驱动有过载、漏电、接地、短路、功率平衡、温度等完善保护功能，且具有启动转矩大，启停平稳、启动电流小的特点；能实现在各种负载情况下的平滑启动、调速、停车等功能，能消除机械及电气冲击，延长电气设备、机械设备使用寿命；使用多台变频电机驱动刮板运输机，各变频器之间互相通信，自动调节负荷，实现多台电机之间动态功率平衡。

2.3 变频器在煤矿胶带机上应用

胶带输送机的带面是一种弹性体，在启动时皮带会积蓄大量能量。随后，皮带内贮藏的能量将很快释放，在皮带上形成张力并逐渐达到最大值时，极易引起皮带断裂。煤矿胶带输送机启动装置主要有液力耦合器、CST、变频器，液力耦合器、CST启动都是直接软启动，启动电流大、带速不可调，变频器启动可使系统缓慢加载、平稳启停，减小皮带上张力，将胶带输送机启停时产生的冲击减至最小。

使用变频调速电机的胶带机可以实现在电机特征曲线内无级变速，启动时间无限制，在额定扭矩可以无限制的启停，随时根据运送人员和物料设置不同速度，多电机时自动的平衡负载。

目前部分矿用变频器为十二脉冲整流变频器，能有效降低电路谐波含量，具有过载、过电压、欠电压、过热、漏电、接地、短路等保护功能，且配有液晶显示屏实时显示各工作状态；具有启动转矩大、启停平稳等特点，能实现交流电机在各种负载情况下的平滑启动、调速、停车等功能，减弱机械及电气冲击，延长设备使用寿命。当胶带机启动时，设定胶带机加载时间，变频器通过整流、逆变，输出低频率、大转矩，使电动机慢速加载，带动胶带机缓慢运转，胶带机张紧装置张紧皮带，实现胶带缓慢加速到正常运转速度，整个启动过程平滑、平稳、减少对皮带冲击；当皮带停止时，变频器按照预定的减速时间，斜坡减速到零速，停止变频器输出，胶带机停机平稳。采用变频器控制多台电机驱动，变频器之间相互通信，从而实现每台驱动之间功率平衡；节能效果明显，采用摄像头调速，当摄像头检测到胶带机煤量减少时，降低胶带机速度，降低电机功率输出，达到节能效果。现煤矿煤炭运输多采用胶带机输送，具有输送距离长、启动转矩大、多台电机驱动等特点，采用变频器驱动胶带机可实现上述功能。胶带机变频器主回路电气原理如图1所示。

图1 胶带机变频器主回路电气原理Fig.1 Electrical principle of frequency converter of belt conveyor

2.4 变频器在煤矿乳化液泵站上应用

煤矿乳化液泵站多采用异步电动机直接驱动，启动电流大，电动机是持续全速运转，不能根据工作面实际液压需求自动调节供液量，柱塞持续做功，加快曲轴箱、阀体部件磨损，液压系统不能完全利用，不仅造成了电能的浪费，同时乳化液泵站电机长时间全速运转，增大了机械磨损，缩短了使用寿命。

采用变频器控制乳化液泵站，将液压系统压力信号数据传送至变频器，当系统管路压力升高并超过给定值，变频器可以通过降低电机转速，从而使管路系统流量减小，管路压力降低到给定值；当管路系统压力低于给定值，变频器可以增大电机转速，使管路压力增加到给定值。采用变频器控制乳化液泵站，节能效果明显，同时也实现了软起动，降低液压系统对管路冲击，减少了“爆管子”现象。

3 结语

变频控制技术实现最优的生产工艺、低成本维护和保养、节省能源效果优良、结构简单且造价低廉、启动转矩大、启停平稳、功率损耗小、消除机械及电气冲击，显著提高设备使用寿命。变频器拖动同一带式负载时，各变频器之间自动调节，实现多台之间的动态功率平衡。

变频器适合自动化程度高、控制要求高的环境，变频控制系统开放化程度高，可完成主控系统提出的各种工况需求，可随时对运行参数进行修改，无控制系统则不能工作。多电机驱动时自动平衡负载随着煤矿机电拖动设备功率增加，采用变频器控制优点显著，变频器控制很容易实现电动机的正、反转，只需改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，不存在因换相不当而烧毁电动机的问题；变频调速系统具有良好启动性能，不仅设备运转速度可任意设定，而且可进行较高频率的启停；采用变频调速后，节能效果明显提升，变频器控制技术在煤矿得到广泛应用。