高压变频器在煤矿机电设备中运用

摘要：机电设备是煤矿的重要组成部分，为了加深对煤矿机电设备运行的了解，采用文献查阅法分析煤矿机电设备中高压变频器的选型与运用，明确高压变频器的负载、功率、控制方式这3大选型依据，以及它在提升机、输送机、流体负荷设备中的实际运用，希望能够强化煤矿机电设备节能改造，发挥设备的最大效能，提高煤矿生产效益。

关键词：煤矿；机电设备；高压变频器；节能；调速

0引言

煤矿机电设备普遍存在电能浪费现象，设备调速方式相对落后，缩短了煤矿机电设备的使用年限，降低煤矿企业综合生产效益。为从根本上解决这些问题，减少电能消耗，在煤矿生产实践中加强对高压变频器选型与运用的研究，强化高压变频器的节能与调速功能。因此，通过本文的研究，充分了解高压变频器对设备选型的重要意义与作用，更好的应用于企业生产中。

1高压变频器基本分析

变频器主要是通过电力半导体器件本身带有的通断作用，让工频电源能直接替换成为另外一种频率的电能控制装置。随着现代微电子技术以及电力电子技术的不断发展，高压大功率的变频调速装置也逐渐成熟起来，在各领域得到充分的应用，原本很难解决的高压问题，在最近几年利用单元串联或者期间串联都得到了妥善的解决。高压变频器包含了诸多种类。根据中间环节是否有直流部分，可将高压变频器划分成交直交变频器和交交变频器；根据有无中间低压回路，可以将高压变频器划分为高低高变频器和高高变频器；基于直流部分的性质，可以将高压变频器划分为电压型变频器和电流型变频器；根据嵌位的方式，可以将高压变频器划分为电容嵌位变频器和二极管嵌位变频器；根据电压的用途和等级，可以直接将高压变频器划分为高压变频器与通用变频器。

2高压变频器在煤矿机电设备中的选型

高压变频器是以电力半导体通断功能为基础转换频率的一种控制仪器，通常由变压器柜和功率柜、控制柜组成[1]。其中功率柜里有3组功率单元，负责输出所需电压，变压器柜则给功率柜提供内部功率单元所需能量，控制柜对功率进行不断的整流、逆变及检测等处理，工作原理如图1所示。在煤矿机电设备方面运用高压变频器，如何选型是关键性问题，通常按照3种依据选型。（1）负载选型。依据煤矿机电设备负载，选择高压变频器是重要选型途径之一。机电设备负载主要有分转矩、恒功率、降转矩这3种，通常各类负载下的机电设备可选择通用高压变频器，通过控制U/f实现恒功率负载[2]。（2）功率选型。如果变频和电机功率相等，应选择对高压变频器运行有利的类型；如变频和电机功率存在较大差异，所选高压变频器的功率应和电机功能相近；如电动机启动频繁或工作频繁，应选择功率更大的高压变频器；如电机有剩余功率，所选高压变频器的功率应小于电动机功率；如功率不同，应考虑启动电机时峰值电流对高压变频器产生的影响，做好节能调节工作。（3）控制选型。高压变频器的控制方式以开环控制、闭环控制为主[3]。前者主要使用无速度传感器的矢量控制，以及普通的U/f控制方式，结构简单，有较高的运行可靠性，但调速精度较差，并且动态响应不佳，无法在低调速区域得到良好运用；后者主要使用有速度传感器矢量控制、附带PID控制器的U/f控制方式，调速范围大、精度较高，并且有良好的动态响应性，只是适用范围较小，仅限于对应压力、流量、速度、pH值等。

3高压变频器在煤矿机电设备中的运用

在煤矿领域运用高压变频器，促进了电子技术、微机技术的融合，在机电设备和强弱电流混合时影响设备的电能消耗，使其更好地实现节能和安全运行[4]。高压变频器主要运用于矿井提升机、带式输送机、流体负荷类设备3个方面，通过具体的分析与探讨，明确高压变频器的作用，达成既定的目标。3.1运用于煤矿矿井提升机在矿井提升机中运用高压变频器，可按照其输出电压信号的变动，实现对提升机升降状态的自主调控[5]。例如，当提升机高压运行时，高压变频器可通过低频率运行让低压进入安静状态，同时通过信号记录显示提升机高压运行的信号。运用高压变频器还能满足提升机软启动要求，科学调控其运行速度，保证其安全可靠地运行。在该过程中，要保留液压机械制动，将其与高压变频器制动整合，原理如图2所示。在提升机运行环节，井下、井口务必要通过信号联络，没有确认信号，不能让提升机运行，运用高压变频器缓解采煤机的振动、冲击，并通过变频调速功能自动调控设备提升速度，大幅度提高工作效率[6]。

3.2运用于煤矿带式输送机

带式输送机在煤矿生产中是一种关键机电设备，需要大量电能支撑其运行，特别是煤矿长距离输送消耗的电能更多，内部制动器运行负荷极大。所以在带式输送机中运用高压变频器，可以促进长距离输送的软启动和低速空载运行等的实现，并使输送机保持稳定运行状态，达到自动连续工作的目的[7]。例如胶带输送机是煤流运输系统最主要的设备，液力耦合器在工频的拖动下传动，交流电机就是其动力装置，不过其启动电流较大、传动效率较低、机械冲击较大，加上输送距离长、负载重、倾角大，容易引发重载或带载启停问题，提高跑带、断带等事故的发生率。运用高压变频器能实现带式输送机的软启动，使其平稳启动、平稳运行，通过变频控制彻底消除原有安全隐患。西山煤电集团为了进一步加快转型发展进程，就针对多座煤矿进行了改造。所属煤矿选择使用西门子罗宾康高压变频器、减速器，以及国内的高压电动器，变频器电压为6kV和10kV（分别为36和48脉冲整流，实现带式输送机软启动和变速运行，提升自动化水平和可靠性。矿内所使用的带式输送机，因为有中间驱动，其实际的功率超过10000kW，驱动单元直接安排在中间和头部，头部3台电动机驱动2个滚筒，中部3台电动机分别驱动3个滚筒；变频器都安装在头部井口，中间驱动通过电缆连接变频器；其他2条都是头部驱动，4台电动机驱动2个滚筒，每条带式输送机都配有1个备用变频器或备用驱动，满足带式输送机软启动以及变速运行的要求，最终提高带式输送机的技术水平与相应的性能。主要参数见表1。带式输送机搭配高压变频器，可以满足软启动的要求，实现带式输送机的变速运行，并且高压变频传动效率良好，启动性能佳，拥有较强的自动化控制能力。西门子罗宾康高压变频器可承受45%的电源电压下降，而增加1台备用变频器，可大幅提高变频传动和传动系统的可靠性。

3.3运用于流体负荷类设备

煤矿机电设备系统中的流体负荷类设备主要有矿井水泵、通风机等。在水泵中运用高压变频器，可以平滑控制其启停状态，节省维修费用。因为水泵负责抽送矿井中的液体，把机械能转变成液体能量，它不仅可以输送液体，还能使液体增压，在煤矿的给水与给液中起到重要作用。以前水泵的空转时间较长，启停频繁，耗费大量电能，经常发生故障，运用高压变频器可以有效控制其启停和减速，让矿井下的液位保持稳定状态，缩短水泵空转的时间，提高其运行效率，减少故障，操作简便。在通风机中运用高压变频器，可以根据矿井的采掘工作面、开拓布局等情况，根据矿井生产需求灵活调整整个通风系统的负压、风量，确保通风机安全运行。通过对相关参数的综合考虑，多余转矩会产生对应功率消耗，利用高压变频器调节通风机的入口和出口挡板、水泵，进而调节矿井中风和水的压力、流量等参数，达到节能减排的效果。在矿井流体负荷类设备中运用高压变频器，发挥高压变频器的变频调速功能，加强电能强弱控制与管理。运用电力半导体器件通断，能在控制工频电源的过程中形成电能控制装置。通过煤矿风机交流就能把电压变成普通直流电压，通过频率的改变和电压的实现，形成驱动电能，出现无极调速电压需求点，创新机电设备调速方式。除此以外，在高压变频器的综合运用中，改变煤矿机电设备负载，可以形成自动化减速模式，特别是运用现代化技术更换功率器的GTR和IGBT等控制方式，形成智能化功率模块，创新网络化处理，再通过处理数字信号、高级集成电路，形成有效的基本调速控制方式，依托计算机系统中的编程处理、参数识别等方式，获取自动化运行效果。

4结语

在煤矿机电设备中选择合理的高压变频器，是煤矿企业在煤矿生产中运用高压变频技术的核心。通过在主要系统中广泛使用变频技术，不仅改善机电设备的性能，提升了矿井装备水平，确保煤矿安全生产、节能增效，为煤矿企业顺利完成生产目标提供可靠支撑。然而当前高压变频技术的发展水平对持续提升煤矿机电设备运行效能而言还远远不够，在今后的研究中应持续改进高压变频设备，提高变频技术运用水平，确保高压变频器更好地服务于煤矿机电设备，优化煤矿生产。

作者:吴贵鹏 单位:山西晋神沙坪煤业