關于大功率交流變頻器在煤礦中的應用

1.概述
隨著計算機和微電子技術的不斷發展，煤炭生產自動化和信息化程度也不斷提高，高科技產品在煤礦井下得到了廣泛的應用。特別是“十一五”計劃內，國家重點扶植13個億噸礦區，500對1000萬噸的生產礦井，對大功率礦用變頻器及信息交換機、網絡有很可觀的需求。另外，煤礦井下由于歷史欠賬及行業條塊的原因，其自動化，信息化程度較其他行業低，給從事該行業研究的企業帶來生機。
據國家情報網站檢索，我國的變頻器市場目前正處于一個高速增長的時期。2002年我國消耗電力16200億度，其中有60%¬—70%的電能，約1萬億度被各種類型電動機所消耗。到2002年底，我國的各類電動機的總容量是5億千瓦，1億臺左右，85%是異步電機、其中只有不到2000萬千瓦的電動機是帶變頻器控制的。而帶變動負載，具有技節能潛力的電機在我國至少有1.5億千瓦。在過去的幾年內，我國變頻器市場保持著12%—15%的增長率，這個速度已經遠遠超過了近幾年的GDP增長水平，而且預計至少在未來的5年內，行業內還將保持著10%以上的增長率。考慮到大約6%—8%的價格下降因素，我國市場上變頻器安裝容量（功率）的增長實際應在20%左右。按照這樣的發展速度和我國市場的需求計算，至少在10年以后市場才能飽和并逐漸成熟。因此，我國變頻器制造企業具有很好的發展空間。特別在國內煤炭行業市場，國家煤礦安全生產監察局發布的2005年版《煤礦安全規程》第373條第9款明確規定：“帶式輸送機應加設軟制動裝置”，《中華人民共和國節約能源法》第39條第2款規定要逐步實現電動機、風機、泵類設備和系統的經濟運行，發展電機調速節電和電力電子節電技術，開發、生產、推廣質優、價廉的節能器材，提高電能利用效率；發展和推廣其他在節能工作中證明技術成熟、效益顯著的通用節能技術。此條規定為全數字式高、低壓軟起動器和變頻器在煤炭行業廣泛應用提供了法律法規依據。
目前防爆400KW以上的電機需求量日益增多，解決礦用大功率防爆電機的調速問題已迫在眉睫。由于防爆變頻器是集自動控制、微電子、通信及防爆技術、散熱技術為一體的高新技術產品，其調速性能與節能技術在煤礦井下設備上得到了充分的發揮，所以用戶青睞變頻器，旨在：①解決高精度的轉矩控制；②節能增效；③延長設備壽命；④凈化環境，安全生產。
本方案僅對煤礦井下大功率絞車采用變頻調速的技術作一簡單說明。

2.設計依據
GB191—2000包裝儲運圖示標志
GB/T311.7—2003高壓輸變電設備的絕緣配合使用導則
GB/T2423.4—1993 電工電子產品環境實驗規程 試驗Db：交變濕熱試驗方法
GB2681—1995電工成套裝置中的導線顏色
GB2682—1995電工成套裝置中的指示燈按鈕的顏色
GB3836.1—2000 爆炸性氣體環境用電氣設備 第1部分：通用要求
GB3836.2—2000 爆炸性氣體環境用電氣設備 第2部分：隔爆型“d”
GB3836.3—2000 爆炸性氣體環境用電氣設備 第3部分：增安型“e”
GB3836.4—2000 爆炸性氣體環境用電氣設備 第4部分：本質安全型“i”
GB/T3859.2—1993 半導體變流器 應用導則
GB/T12325—2003 電能質量 供電電壓允許偏差
GB/T12326—2000 電能質量 電壓波動和閃變
GB/T12668.2—2000 調速電氣傳動系統 第2部分：一般要求 低壓交流變頻電氣傳動系統額定植的規定
GB12668.3—2003 調速電氣傳動系統 第3部分：產品的電磁兼容性標準及其特定的試驗方法
GB/T13384—1992 機電產品包裝通用技術條件
GB/T14048.1—2000 低壓開關設備和控制設備 總則
GB/T14549—1993 電能質量 公用電網諧波
GB/T15543—1995 電能質量 三項電壓允許不平衡度
GB/T15945—1995 電能質量 電力系統頻率允許偏差
GB17625.1—2003 電磁兼容 限值 諧波電流發射限值（設備每項輸入電流≤16A）
GB/Z17625.3—2000 電磁兼容 限值 對額度電流大于16A的設備在低壓供電系統中產生的電壓波動和閃爍的限制

3.西門子12脈沖變頻器在國投新集劉莊礦提升絞車變頻調速系統中的應用。
3.1提升機主要技術參數
1）卷筒直徑 2500mm
2）卷筒寬度 3000mm
3）卷筒數量 1個
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 2層
11）天輪直徑 1600mm
12）天輪游動距離 1350mm
3.2電機部分主要技術參數
1）功率 450KW
2）轉速 1480r/min
3）電壓 AC660V
4）運行方式 四象限
5）防護等級 主體IP54,接線盒IP54
6）工作制 連續工作制
7）環境溫度 0～40°
8）戶內防中腐蝕型

4.系統組成
礦用大功率提升絞車電控系統由供電、驅動、控制、保護及電機五部分組成。本文重點介紹大功率變頻器中整流回饋技術及變頻調速系統采用普通礦用防爆電機應注意的幾個問題。
4.1供電部分
由1臺三繞組變壓器和2臺自耦變壓器組成。
從結構上看，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，其調速原理都是從電機特性出發的。眾所周知，交流電動機轉速的表達式為：

其中：f ——定子供電電源的頻率
p ——電動機的極對數
s ——電動機的轉差率
由上式可知，當平滑地改變f時，n也可得到平穩的改變。所以，變頻調速技術的關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，本系統采用一臺三繞組整流變壓器，其短路阻抗為6%；三繞組整流變壓器的二個次級繞組之間有30°電角相移，進線側形成12脈沖配置。變壓器的2個次級繞組分別向變頻器二臺整流回饋單元供電（詳見圖1所示）