關(guān)于大功率交流變頻器在煤礦中的應(yīng)用

1.概述
隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，煤炭生產(chǎn)自動(dòng)化和信息化程度也不斷提高，高科技產(chǎn)品在煤礦井下得到了廣泛的應(yīng)用。特別是“十一五”計(jì)劃內(nèi)，國(guó)家重點(diǎn)扶植13個(gè)億噸礦區(qū)，500對(duì)1000萬(wàn)噸的生產(chǎn)礦井，對(duì)大功率礦用變頻器及信息交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)有很可觀的需求。另外，煤礦井下由于歷史欠賬及行業(yè)條塊的原因，其自動(dòng)化，信息化程度較其他行業(yè)低，給從事該行業(yè)研究的企業(yè)帶來(lái)生機(jī)。
據(jù)國(guó)家情報(bào)網(wǎng)站檢索，我國(guó)的變頻器市場(chǎng)目前正處于一個(gè)高速增長(zhǎng)的時(shí)期。2002年我國(guó)消耗電力16200億度，其中有60%¬—70%的電能，約1萬(wàn)億度被各種類(lèi)型電動(dòng)機(jī)所消耗。到2002年底，我國(guó)的各類(lèi)電動(dòng)機(jī)的總?cè)萘渴?億千瓦，1億臺(tái)左右，85%是異步電機(jī)、其中只有不到2000萬(wàn)千瓦的電動(dòng)機(jī)是帶變頻器控制的。而帶變動(dòng)負(fù)載，具有技節(jié)能潛力的電機(jī)在我國(guó)至少有1.5億千瓦。在過(guò)去的幾年內(nèi)，我國(guó)變頻器市場(chǎng)保持著12%—15%的增長(zhǎng)率，這個(gè)速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了近幾年的GDP增長(zhǎng)水平，而且預(yù)計(jì)至少在未來(lái)的5年內(nèi)，行業(yè)內(nèi)還將保持著10%以上的增長(zhǎng)率。考慮到大約6%—8%的價(jià)格下降因素，我國(guó)市場(chǎng)上變頻器安裝容量（功率）的增長(zhǎng)實(shí)際應(yīng)在20%左右。按照這樣的發(fā)展速度和我國(guó)市場(chǎng)的需求計(jì)算，至少在10年以后市場(chǎng)才能飽和并逐漸成熟。因此，我國(guó)變頻器制造企業(yè)具有很好的發(fā)展空間。特別在國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)市場(chǎng)，國(guó)家煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)察局發(fā)布的2005年版《煤礦安全規(guī)程》第373條第9款明確規(guī)定：“帶式輸送機(jī)應(yīng)加設(shè)軟制動(dòng)裝置”，《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》第39條第2款規(guī)定要逐步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，發(fā)展電機(jī)調(diào)速節(jié)電和電力電子節(jié)電技術(shù)，開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、推廣質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉的節(jié)能器材，提高電能利用效率；發(fā)展和推廣其他在節(jié)能工作中證明技術(shù)成熟、效益顯著的通用節(jié)能技術(shù)。此條規(guī)定為全數(shù)字式高、低壓軟起動(dòng)器和變頻器在煤炭行業(yè)廣泛應(yīng)用提供了法律法規(guī)依據(jù)。
目前防爆400KW以上的電機(jī)需求量日益增多，解決礦用大功率防爆電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題已迫在眉睫。由于防爆變頻器是集自動(dòng)控制、微電子、通信及防爆技術(shù)、散熱技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，其調(diào)速性能與節(jié)能技術(shù)在煤礦井下設(shè)備上得到了充分的發(fā)揮，所以用戶青睞變頻器，旨在：①解決高精度的轉(zhuǎn)矩控制；②節(jié)能增效；③延長(zhǎng)設(shè)備壽命；④凈化環(huán)境，安全生產(chǎn)。
本方案僅對(duì)煤礦井下大功率絞車(chē)采用變頻調(diào)速的技術(shù)作一簡(jiǎn)單說(shuō)明。

2.設(shè)計(jì)依據(jù)
GB191—2000包裝儲(chǔ)運(yùn)圖示標(biāo)志
GB/T311.7—2003高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合使用導(dǎo)則
GB/T2423.4—1993 電工電子產(chǎn)品環(huán)境實(shí)驗(yàn)規(guī)程 試驗(yàn)Db：交變濕熱試驗(yàn)方法
GB2681—1995電工成套裝置中的導(dǎo)線顏色
GB2682—1995電工成套裝置中的指示燈按鈕的顏色
GB3836.1—2000 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第1部分：通用要求
GB3836.2—2000 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第2部分：隔爆型“d”
GB3836.3—2000 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第3部分：增安型“e”
GB3836.4—2000 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第4部分：本質(zhì)安全型“i”
GB/T3859.2—1993 半導(dǎo)體變流器 應(yīng)用導(dǎo)則
GB/T12325—2003 電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差
GB/T12326—2000 電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變
GB/T12668.2—2000 調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 第2部分：一般要求 低壓交流變頻電氣傳動(dòng)系統(tǒng)額定植的規(guī)定
GB12668.3—2003 調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 第3部分：產(chǎn)品的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)及其特定的試驗(yàn)方法
GB/T13384—1992 機(jī)電產(chǎn)品包裝通用技術(shù)條件
GB/T14048.1—2000 低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 總則
GB/T14549—1993 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波
GB/T15543—1995 電能質(zhì)量 三項(xiàng)電壓允許不平衡度
GB/T15945—1995 電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差
GB17625.1—2003 電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值（設(shè)備每項(xiàng)輸入電流≤16A）
GB/Z17625.3—2000 電磁兼容 限值 對(duì)額度電流大于16A的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和閃爍的限制

3.西門(mén)子12脈沖變頻器在國(guó)投新集劉莊礦提升絞車(chē)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。
3.1提升機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
1）卷筒直徑 2500mm
2）卷筒寬度 3000mm
3）卷筒數(shù)量 1個(gè)
4）鋼絲繩最大靜張力 110KN
5）鋼絲繩最大靜張力差 110KN
6）鋼絲繩直徑 35mm
7）繩間隙 3mm
8）提升速度 4m/s
9）加速度 0.5m/s2
10）繩繞層數(shù) 2層
11）天輪直徑 1600mm
12）天輪游動(dòng)距離 1350mm
3.2電機(jī)部分主要技術(shù)參數(shù)
1）功率 450KW
2）轉(zhuǎn)速 1480r/min
3）電壓 AC660V
4）運(yùn)行方式 四象限
5）防護(hù)等級(jí) 主體IP54,接線盒IP54
6）工作制 連續(xù)工作制
7）環(huán)境溫度 0～40°
8）戶內(nèi)防中腐蝕型

4.系統(tǒng)組成
礦用大功率提升絞車(chē)電控系統(tǒng)由供電、驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)及電機(jī)五部分組成。本文重點(diǎn)介紹大功率變頻器中整流回饋技術(shù)及變頻調(diào)速系統(tǒng)采用普通礦用防爆電機(jī)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題。
4.1供電部分
由1臺(tái)三繞組變壓器和2臺(tái)自耦變壓器組成。
從結(jié)構(gòu)上看，目前煤礦中使用的變頻器有交—直—交和交—交變頻器二種。不管是哪種變頻器，其調(diào)速原理都是從電機(jī)特性出發(fā)的。眾所周知，交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)式為：

其中：f ——定子供電電源的頻率
p ——電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)
s ——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率
由上式可知，當(dāng)平滑地改變f時(shí)，n也可得到平穩(wěn)的改變。所以，變頻調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵是如何獲得頻率可變的大功率供電電源。
為獲得大功率可變的供電電源，本系統(tǒng)采用一臺(tái)三繞組整流變壓器，其短路阻抗為6%；三繞組整流變壓器的二個(gè)次級(jí)繞組之間有30°電角相移，進(jìn)線側(cè)形成12脈沖配置。變壓器的2個(gè)次級(jí)繞組分別向變頻器二臺(tái)整流回饋單元供電（詳見(jiàn)圖1所示）