Abstract: The study of Jining city, within the scope of various types of coal mine on the motor adopts frequency conversion technology, including the mine main fan, belt conveyor motor, thermal power plant high voltage motor, motor vehicle motor and motor centrifugal cooling fan transformation frequency of.
Key words: Coal mine; Motor; Inverter; Technological transformation
【中圖分類號】TM34 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【文章編號】1561-0330（2018）03-0000-00
1 引言
近幾年來，地處山東省濟(jì)寧市范圍內(nèi)的兗州礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司所屬煤礦企業(yè)以及其他煤礦協(xié)同有關(guān)科研單位開展了對電動機(jī)采用變頻技術(shù)的研究，從電動機(jī)技術(shù)改造等多個方面總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗教訓(xùn)，有效地保障了電動機(jī)的安全、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。
2 礦井主通風(fēng)機(jī)的同步電動機(jī)高壓變頻裝置
礦井主通風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著井下的主要通風(fēng)任務(wù)，是至關(guān)重要的大型安全生產(chǎn)設(shè)備，需要長期、連續(xù)、安全、可靠的運(yùn)行，對其可靠安全的控制也就顯得及其重要。目前，國內(nèi)比較流行的做法就是采用高壓變頻。位于鄒城市的山東里能礦業(yè)公司里彥煤礦G4-72-11型離心式主通風(fēng)機(jī)采用2臺6kV、680kW同步電動機(jī)驅(qū)動，并且采用1供1備的工作方式。為了方便調(diào)節(jié)風(fēng)量、節(jié)約電能，他們采用高壓變頻器對原有的主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。
（1）主回路改造方案
該礦主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用的高壓變頻選擇了完美無諧波的RHVC串聯(lián)疊加高壓變頻器。每套主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用大功率變頻器實現(xiàn)無級調(diào)速，通過移相變壓器接于6kW電壓等級的主動力電源驅(qū)動同步電動機(jī)。為了提高安全運(yùn)行性，此系統(tǒng)增加由3個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成的旁路，如圖1所示，QS2和QS3不能夠同時閉合，在機(jī)械上實現(xiàn)互鎖。變頻運(yùn)行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運(yùn)行的時候，QS3閉合，QS1和QS2斷開。為了實現(xiàn)變頻器的故障保護(hù)，變頻器對現(xiàn)場高壓斷路器QF進(jìn)行連鎖，必要的時候可以跳開QF。電動機(jī)工頻運(yùn)行的時候，變頻器允許QF合閘，撤銷對QF跳閘信號，使得電動機(jī)能夠正常通過QF合閘工頻啟動。常規(guī)變頻工況，實現(xiàn)單臺電動機(jī)的變頻運(yùn)行及正反轉(zhuǎn)控制；備用工頻運(yùn)行，即實現(xiàn)單臺電動機(jī)手動切換工頻運(yùn)行及正反轉(zhuǎn)控制。
（2）系統(tǒng)組成
這個系統(tǒng)主要由高壓開關(guān)柜、移相隔離變壓器、變頻單元功率柜、控制柜、勵磁柜、數(shù)據(jù)監(jiān)測柜等組成。6kV系列一般由15個變頻功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，三相采用Y型接法，直接輸出6kV三相交流電給電動機(jī)供電。
（3）變頻系統(tǒng)工作原理
此高壓變頻器采用無諧波功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)。由電網(wǎng)送來的三相6kV交流電，經(jīng)過隔離移相變壓器供給每相4個共計12個單相IGBT逆變器功率單元。本相上的4個功率單元輸出的SPWM波相疊加后，三相采用Y形連接，形成向電壓6kV的高質(zhì)量正弦波輸出，供給2臺680kW主通風(fēng)機(jī)電動機(jī)。主控柜和功率柜之間采用光纖隔離技術(shù)，防止電磁干擾。功率單元采用交-直-交變頻技術(shù)，單相輸出，IGBT元件采用先進(jìn)高效的熱管散熱技術(shù)，極大提高了工作可靠性。采用IGBT變頻功率單元串聯(lián)多重化疊加技術(shù)，屬高—高電壓源型變頻器，直接6kV接入，直接6kV高壓輸出。各個IGBT變頻功率單元由輸入隔離變壓器的二次隔離線圈分別供電，額定電壓690V，每相5個，相電壓為3450V，對應(yīng)的線電壓為6000V。給功率單元供電的二次電壓互相存在1個相位差，實現(xiàn)輸入多重化，可消除各單元產(chǎn)生的諧波，成為真正對電網(wǎng)無污染的“綠色高壓變頻器”。RHVC變頻器由多個690V的IGBT低壓變頻功率單元串聯(lián)疊加達(dá)到高壓輸出的目的。高壓變頻調(diào)速裝置原理框圖如圖2所示。
（4）同步運(yùn)行特點
變頻器驅(qū)動同步電動機(jī)調(diào)速時，為了解決變頻裝置和同步電動機(jī)之間的配合問題，在電動機(jī)速度改變的同時，變頻裝置也會協(xié)同調(diào)節(jié)勵磁大小和改變輸出電壓對應(yīng)值（不是簡單的恒V/F控制）。在某一個設(shè)定的頻率點以上范圍運(yùn)行時，變頻器采集同步電動機(jī)的功率因數(shù)，通過內(nèi)置PID控制器實時控制同步電動機(jī)的勵磁電流，實現(xiàn)恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)，功率因數(shù)0.90（超前）。變頻器通過發(fā)4～20mA指令給同步電動機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)勵磁電流；在此頻率點以下范圍運(yùn)行的時候，勵磁電流由變頻器根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行工況，輸出4～20mA信號給同步電動機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)器去，采用變頻變勵磁電流調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方式切換由變頻器自動完成，而且調(diào)節(jié)方式切換點頻率可以通過參數(shù)設(shè)置。
（5）運(yùn)行效果
加裝變頻器之后，該礦主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)同步電動機(jī)的無功電流僅在同步電動機(jī)和變頻器之間流動，不進(jìn)入電網(wǎng)，變頻調(diào)速時勵磁電流的調(diào)節(jié)無需關(guān)心同步電動機(jī)的無功電流；經(jīng)過一段時間的帶載運(yùn)行，效果良好，在操作臺上就可以通過2個控制按鈕實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制風(fēng)機(jī)的啟停；通過觀察電流、電壓、轉(zhuǎn)速、風(fēng)量，可以分析出風(fēng)量是否充足穩(wěn)定，啟動電流和穩(wěn)定運(yùn)行電流都大為減少。
3 帶式輸送機(jī)電動機(jī)應(yīng)用隔爆變頻調(diào)速
兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司機(jī)械制修廠生產(chǎn)的帶式輸送機(jī)配置4臺大功率電動機(jī)驅(qū)動裝置（采用3+1模式，3套工作、1套備用）。整部輸送機(jī)由3臺電壓為1140/660V異步電動機(jī)并聯(lián)拖動，通過減速器與輸送機(jī)驅(qū)動滾筒連接，電動機(jī)與減速器、減速器與驅(qū)動滾筒之間采用蛇簧聯(lián)軸器相連接。該機(jī)采用同軸電動機(jī)，即2臺電動機(jī)同時控制1個驅(qū)動滾筒，要求電動機(jī)啟動有良好同步性來保證系統(tǒng)功率平衡。通過對各種調(diào)速方式分析比較，決定每臺電動機(jī)配置1臺QJR400型隔爆變頻調(diào)速裝置，采用電動機(jī)隔爆變頻調(diào)速裝置對輸送機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。
電動機(jī)隔爆變頻調(diào)速裝置的操作可以在本機(jī)控制，也可以在遠(yuǎn)程控制。此機(jī)控制是靠變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)置的觸摸屏來設(shè)定運(yùn)行參數(shù)。在觸摸屏上進(jìn)行運(yùn)行和停止操作。遠(yuǎn)控時，通過工作臺對變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行外控操作。應(yīng)用變頻調(diào)速裝置時，一般采用一拖一控制。3臺電動機(jī)同時啟動而且2臺電動機(jī)同軸時，在電動機(jī)隔爆變頻調(diào)速裝置之間增加主從控制功能，可任意設(shè)置其中1臺為主機(jī)、其余2臺為從機(jī)。在現(xiàn)場中設(shè)置同軸的1臺電動機(jī)為主機(jī)、其余2臺電動機(jī)為從機(jī)，同軸的另一臺電動機(jī)設(shè)置為轉(zhuǎn)矩跟蹤，不同軸的第三臺設(shè)置為速度跟蹤。主機(jī)是調(diào)速裝置群控中的首機(jī)，其它變頻器都是從機(jī)。主機(jī)只有1臺。運(yùn)行中只對主機(jī)控制，全部從機(jī)同步自動跟隨主機(jī)動態(tài)運(yùn)行，實現(xiàn)良好的主從關(guān)系目標(biāo)控制運(yùn)行模式。經(jīng)過長時間的運(yùn)行檢驗證明，真正實現(xiàn)電動機(jī)軟啟動和帶式輸送機(jī)軟啟動合二為一。通過電動機(jī)慢速啟動帶動帶式輸送機(jī)緩慢啟動，將膠帶內(nèi)貯存的能量緩慢釋放，幾乎對膠帶不造成損害，設(shè)備啟動特性平穩(wěn)，極大降低設(shè)備的維護(hù)檢修量，同時節(jié)能效果明顯。電動機(jī)隔爆變頻調(diào)速裝置以其特有的軟啟動特性和較高的性價比，成為礦山井下帶式輸送機(jī)驅(qū)動的發(fā)展方向。
4 熱電廠高壓電動機(jī)應(yīng)用高壓變頻
兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司濟(jì)寧三號煤礦煤矸石熱電廠2臺135MW發(fā)電機(jī)組，每臺機(jī)組配置2×6kV/1250kW引風(fēng)機(jī)、2×6kV/1330kW一次風(fēng)機(jī)、2×6kV/900kW二次風(fēng)機(jī)、2×6kV/630kW循環(huán)水泵、2×6kV/3600kW給水泵、2×6kV/3150kW凝結(jié)水泵。大部分風(fēng)機(jī)和泵采用閥門調(diào)節(jié)，正常時運(yùn)行電流略低于電動機(jī)額定電流。采用調(diào)閥門的方式使電動機(jī)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，電動機(jī)的功率因數(shù)較低，存在著不合理的運(yùn)行。這些風(fēng)機(jī)、水泵約占廠內(nèi)用電功率70%，每年浪費電能高達(dá)數(shù)百萬元。他們對系統(tǒng)進(jìn)行合理的高壓電動機(jī)變頻改造，運(yùn)用“一拖一”的方案通過調(diào)節(jié)電動機(jī)工作頻率和風(fēng)機(jī)風(fēng)量，節(jié)電率41%，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
（1）變頻改造后的系統(tǒng)
①三相6kV高壓交流電通過高壓開關(guān)柜送至干式隔離移相變壓器，供給每相5個共計15個單相IGBT逆變器功率單元；采用Y形連接每相5個功率單元輸出的SPWM波相疊加，形成線電壓6kV的高質(zhì)量正弦波輸出，供給電動機(jī)。通過控制此輸出正弦波的電壓幅值與頻率，來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
②變頻器工頻旁路采用高壓真空接觸器，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇“手動/自動”旁路功能。
③變頻器輸出接觸器與旁路接觸器之間實現(xiàn)電氣互鎖，防止變頻及工頻同時投入運(yùn)行。
④變頻器具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-485通訊接口，并支持MODBUS-RTU等多種通訊協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)與其它廠DCS系統(tǒng)通訊。
⑤通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇“本機(jī)/遠(yuǎn)程”控制方式，除具有遠(yuǎn)程控制外，變頻器還能夠?qū)崿F(xiàn)本機(jī)控制。
⑥變頻器具有過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)和超溫保護(hù)等完備的保護(hù)功能。
（2）變頻改造后的系統(tǒng)特點
變頻改造后，保留原有的電動機(jī)繼續(xù)使用，不改變原有風(fēng)機(jī)及水泵設(shè)備的任何基礎(chǔ)；風(fēng)機(jī)與水泵變頻系統(tǒng)既可以變頻調(diào)速運(yùn)行，也可以旁路直接投入工頻運(yùn)行，不存在dv/dt問題，對電動機(jī)的絕緣無損害，有利于電動機(jī)長期可靠運(yùn)行；由于電壓和頻率均連續(xù)可調(diào)，電動機(jī)的啟動變?yōu)檐泦樱瑔与娏鞯玫接行У目刂?，轉(zhuǎn)矩沖擊不再存在，大幅度減少電氣和機(jī)械故障對生產(chǎn)的影響；諧波含量極低，不對電網(wǎng)和其它設(shè)備造成干擾，輸入側(cè)的功率因數(shù)高達(dá)0.95以上；現(xiàn)場速度給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行，維持風(fēng)機(jī)與水泵運(yùn)行工況不變；通過變頻調(diào)速控制風(fēng)量，避免能源浪費，節(jié)省大量電能；控制電源掉電時，控制系統(tǒng)可以由移相變壓器供電，保證不停機(jī)。單元模塊化設(shè)計，故障不擴(kuò)散，恢復(fù)故障設(shè)備極其簡單方便，更換故障單元僅需幾分鐘；提供標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，實現(xiàn)與后臺的通訊，方便系統(tǒng)集中控制；可以滿足“本機(jī)/遠(yuǎn)程”操作，通過切換開關(guān)選擇，高自動化控制，達(dá)到安全、高效、節(jié)能的目的，性價比高。
5 煤礦主通風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)在節(jié)能改造
位于鄒城市的山東魯泰煤業(yè)公司太平煤礦將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井主通風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造。理論計算及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明，改造以后的主通風(fēng)機(jī)節(jié)能效果顯著。
（1）應(yīng)用背景
①改造前的主通風(fēng)機(jī)狀況。該礦安裝有2臺4-72-11№20B主通風(fēng)機(jī)，1臺工作、1臺備用。配套JS137-8型電動機(jī)，額定功率210kW，電壓等級380V，額定轉(zhuǎn)速735r/min，實測主通風(fēng)機(jī)排風(fēng)能力Q1=4210m3/min。按煤礦生產(chǎn)安全規(guī)程要求的配風(fēng)量Q2=3410m3/min，利用閘門調(diào)節(jié)風(fēng)量，風(fēng)門開度80%。
②存在的問題。礦井風(fēng)量是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門開度來改變風(fēng)道斷面尺寸實現(xiàn)的，既耗時又費力；電動機(jī)采用直接啟動方式，啟動電流為額定電流5～7倍，電動機(jī)受到機(jī)械、電氣沖擊較大，縮短使用壽命；通過調(diào)節(jié)風(fēng)門來改變主通風(fēng)機(jī)工況，電動機(jī)仍然以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，多余容量不能利用，浪費電能。
（2）改造方案及節(jié)能原理
①改造措施。在主通風(fēng)機(jī)配電柜系統(tǒng)并聯(lián)1臺HY-FAN/INV-3.0型變頻控制柜，變頻調(diào)速控制器為FRN200P11S-4CX型，額定電壓380V、頻率0～50Hz、額定電流377A。
②工作原理。主通風(fēng)機(jī)啟動時，在變頻器控制下，電動機(jī)從1～2Hz低頻啟動，10s內(nèi)達(dá)到設(shè)定頻率值；主通風(fēng)機(jī)啟動后，通過對電位器的調(diào)節(jié)改變變頻器的頻率，從而改變主通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)，精確控制風(fēng)量，使通風(fēng)系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)。變頻控制柜上裝有故障報警系統(tǒng)。發(fā)生故障時發(fā)出聲光報警，并顯示故障原因。變頻控制系統(tǒng)與原有啟動系統(tǒng)并聯(lián)安裝，實現(xiàn)2個柜的手動切換功能，在變頻控制系統(tǒng)發(fā)生故障時可及時切換到原啟動柜工作。
（3）改造后的效益分析
①理論節(jié)能計算。根據(jù)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系Q2/Q1=n1/n2，計算得調(diào)節(jié)后電動機(jī)轉(zhuǎn)速596r/min。根據(jù)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系n=60f(1-s)/p。式中：f——三相交流電源頻率，一般為50Hz；s——電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，一般異步電動機(jī)在額定負(fù)載下s=1%～6%；p——電動機(jī)的定子磁場對數(shù)。計算得變頻器頻率設(shè)定在40Hz。根據(jù)風(fēng)機(jī)類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系式P/P0=(n/n0)3，計算得P=112kW。式中：P0——額定轉(zhuǎn)速n0時的功率；P——轉(zhuǎn)速n時的功率。理論節(jié)電率為(210-112)/210×100%=47%。
②直接經(jīng)濟(jì)效益。改造前后的電流實測數(shù)據(jù)如下：A相、B相、C相和平均值在變頻時分別為190A、193A、185A和189A；工頻時分別為290A、294A、290A和292A。節(jié)電率=（工頻值-變頻值）/工頻值×100%=36%。改造前的年耗電量（cosΦ=0.887）為1493282.8kW·h，改造后的年耗電量（cosΦ=1）為1089676.0kW·h，年節(jié)電量403606.8kW·h，價值242164.08元（按0.6元/kW·h計）。節(jié)電效果非常明顯，當(dāng)年就可收回改造費用。
③間接效益。只需通過變頻器的頻率升降即可達(dá)到調(diào)整礦井風(fēng)量的目的，調(diào)整方便簡捷，有效提高通風(fēng)安全性；低頻啟動可以消除50Hz工頻直接啟動對電動機(jī)及通風(fēng)機(jī)負(fù)載的沖擊，使主通風(fēng)機(jī)的啟動性能更穩(wěn)定，并減小直接啟動對礦區(qū)電網(wǎng)的干擾和沖擊；電動機(jī)不用一直工作在額定轉(zhuǎn)速，運(yùn)行平穩(wěn)，極大降低機(jī)械磨損，延長設(shè)備使用壽命，減少維護(hù)費用。
6 電廠廠用電動機(jī)高壓變頻改造
兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司南屯煤礦煤矸石熱電廠的主要生產(chǎn)用輔機(jī)基本上都是6kV的高壓電動機(jī)，其中引風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)等全部是通過調(diào)節(jié)擋板進(jìn)行運(yùn)行調(diào)節(jié)的。調(diào)節(jié)擋板的開度一般只有30%～60%，節(jié)流損失巨大；給水泵容量1600kW，配置該廠容量最大的高壓電動機(jī)，其壓力損失高達(dá)5MPa。以上電動機(jī)總功率11850kW，約占全廠用電功率70%，每年因此浪費的電能非常巨大。為此，他們對送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和給水泵3種設(shè)備的高壓電動機(jī)進(jìn)行變頻控制技術(shù)改造，將廠內(nèi)高壓電動機(jī)用電控制在比較合理的水平。
（1）變頻裝置與電動機(jī)的連接方式
一次回路由進(jìn)線柜、手動切換柜、變頻器和電動機(jī)組成，其中的進(jìn)線柜和電動機(jī)由用戶自備。旁路柜的作用是在變頻器維護(hù)過程中或變頻器出現(xiàn)故障時，將電動機(jī)投入工頻電網(wǎng)運(yùn)行，保證生產(chǎn)不受影響。進(jìn)線柜為工頻運(yùn)行時的電動機(jī)，也為變頻運(yùn)行時的變頻器提供電氣保護(hù)，保護(hù)整定值以保護(hù)電動機(jī)為準(zhǔn)。變頻運(yùn)行的時候，變頻器為電動機(jī)提供全面的保護(hù)，但是變頻器本身的保護(hù)（主要是過電壓保護(hù)和速斷保護(hù)）由進(jìn)線柜負(fù)責(zé)，其整定值保持電動機(jī)保護(hù)值不變。在旁路柜一次回路中共有3個高壓隔離開關(guān)。為了確保不向變頻器輸出端反送電，旁路柜兩端的K2與K3采用1個雙投隔離開關(guān)，實現(xiàn)自然機(jī)械互鎖。當(dāng)變頻器兩端的K1、K2閉合而K3斷開的時候，電動機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)K1、K2斷開而K3閉合時，電動機(jī)工頻運(yùn)行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和測試。旁路柜必須與上級高壓斷路器連鎖，旁路柜隔離開關(guān)未合到位的時候，不允許上級高壓斷路器合閘；上級高壓斷路器合閘的時候，絕對不允許操作隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。
（2）實踐效果
這個廠的應(yīng)用實踐表明：采用高壓變頻調(diào)速控制技術(shù)對風(fēng)機(jī)和水泵的高壓電動機(jī)進(jìn)行變頻控制，實現(xiàn)了進(jìn)風(fēng)風(fēng)量和給水流量變負(fù)荷調(diào)節(jié)的最佳效果，可以根據(jù)流量或者壓力的變化來調(diào)節(jié)高壓電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，降低電能的損耗、節(jié)約生產(chǎn)成本、延長設(shè)備的使用壽命、減少維護(hù)量，2a即可以收回全部投資，為降低熱電廠廠用電率提供良好的途徑。
7 電動機(jī)的離心式冷卻風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻技術(shù)
兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司鮑店煤礦通過把變頻器的外部頻率給定端子與電控系統(tǒng)可編程自動化控制器的模擬量輸出端子連接，實現(xiàn)電動機(jī)離心式冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)量隨著礦井提升機(jī)主電動機(jī)定子溫度的變化而自動調(diào)節(jié)，大幅度提高電動機(jī)風(fēng)機(jī)的效率，徹底解決風(fēng)機(jī)啟動電流大的問題，基本上是免維護(hù)運(yùn)行。
（1）改造方案
礦井提升機(jī)主電動機(jī)的冷卻至關(guān)重要，設(shè)計不當(dāng)會對電動機(jī)造成很大危害。傳統(tǒng)的風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量方式給提升機(jī)運(yùn)行帶來安全隱患。該礦副井2部提升機(jī)的主電動機(jī)采用離心式風(fēng)機(jī)冷卻方式，利用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的大小來調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量的多少。在多年的實際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)其存在啟動電流大、風(fēng)機(jī)效率非常低以及風(fēng)量不能夠自動調(diào)節(jié)等缺點。經(jīng)過論證，決定去掉調(diào)節(jié)風(fēng)門，改由變頻器來驅(qū)動離心式風(fēng)機(jī)的電動機(jī)，通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度來調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量；并且將離心式風(fēng)機(jī)變頻器的控制信號引入到提升機(jī)的控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)離心式風(fēng)機(jī)狀態(tài)的實時監(jiān)控以及風(fēng)量的自動調(diào)節(jié)。結(jié)合礦井提升系統(tǒng)的實際情況，選用西門子MicroMaster440變頻器，其控制方式為矢量控制，性能穩(wěn)定可靠。
（2）系統(tǒng)特點
①啟動電流。改造以后，由于在變頻器中設(shè)定電動機(jī)啟動曲線，離心式風(fēng)機(jī)的電動機(jī)不再是全壓啟動，啟動電流由原先600A下降到200A，極大減少對電動機(jī)的沖擊。
②變頻器啟動順序。斷開刀閘開關(guān)，閉合帶過流保護(hù)空氣開關(guān)，合上手動開關(guān)，變頻器上電。司機(jī)通過PLC發(fā)出“變頻器啟動”命令，繼電器吸合，變頻器啟動。啟動完畢以后，變頻器“啟動完畢”反饋信號接點閉合，啟動完畢。在PLC程序中，若PLC發(fā)出“變頻器啟動”命令6s后，未得到變頻器“啟動完畢”反饋信號，就發(fā)出風(fēng)機(jī)故障的信號，并且閉鎖絞車。這時可能是接觸器或者變頻器故障。
③變頻器故障時的風(fēng)機(jī)啟動。風(fēng)機(jī)控制恢復(fù)原先方式。啟動順序如下：把風(fēng)門開度調(diào)至15%以下，先合刀閘開關(guān)，再合帶過流保護(hù)的空氣開關(guān)，最后合手動開關(guān)，電動機(jī)全壓啟動（設(shè)置手動開關(guān)就是為了在變頻器損壞時可使風(fēng)機(jī)正常啟動）。同時，PLC檢測到刀閘開關(guān)所帶輔助接點的信號輸入后，屏蔽檢測變頻器“啟動完畢”信號，僅檢測接觸器輔助接點。
④頻率自動調(diào)節(jié)。廠家在主電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子中預(yù)埋了Ni100測溫電阻。利用S7-400PLC模擬量輸入模塊很容易檢測到電動機(jī)溫度，利用變頻器外部頻率跟定功能可實現(xiàn)頻率隨檢測到的電動機(jī)實際溫度自動調(diào)節(jié)，把PLC的模擬量輸出接點與變頻器頻率給定接點連接，將變頻器頻率給定信號設(shè)置為4～20mA電流，連接的PLC模擬量輸出接點輸出信號也設(shè)置為4～20mA信號。鮑店煤礦副井提升機(jī)的主電動機(jī)為B級絕緣，他們在PLC程序設(shè)置了溫度高于100℃時PLC模擬量輸出接點輸出18mA信號，即風(fēng)機(jī)以88%額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行；當(dāng)主電動機(jī)溫度低于20℃時，PLC模擬量輸出接點輸出6mA信號，即風(fēng)機(jī)以12%額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行；在20～100℃之間，風(fēng)機(jī)電動機(jī)速度分成5段。
⑤保護(hù)功能。a.風(fēng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控。在接觸器的吸合信號和變頻器啟動反饋信號均傳到PLC時，系統(tǒng)才認(rèn)為通風(fēng)系統(tǒng)正常；變頻器損壞時，系統(tǒng)只檢測接觸器的狀態(tài)；若在絞車提升過程中檢測到風(fēng)，溫度不超過115℃時允許本次提升，完成后閉鎖絞車。b.絞車主電動機(jī)溫度保護(hù)設(shè)置。主電動機(jī)溫度過115℃的時候，控制系統(tǒng)產(chǎn)生電氣制動。
8 煤礦電機(jī)車電動機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)
電機(jī)車是煤礦地面和井下軌道運(yùn)輸?shù)闹饕獱恳O(shè)備。其中，架線式牽引機(jī)車多年來一直沿用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高和維修費用大的直流電動機(jī)，而且目前國內(nèi)絕大多數(shù)礦山牽引機(jī)車還在使用觸頭電阻調(diào)速方式，處于耗電量大與維修量大的狀態(tài)。變頻調(diào)速牽引機(jī)車采用了故障率低和性能可靠的三相異步交流鼠籠式電動機(jī)，結(jié)合技術(shù)先進(jìn)與節(jié)電效果顯著的變頻調(diào)速器，取代直流電機(jī)車落后的驅(qū)動技術(shù)，達(dá)到當(dāng)代世界先進(jìn)技術(shù)水平。山東科技大學(xué)和兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司機(jī)械制修廠對變頻調(diào)速技術(shù)在礦山牽引電機(jī)車上的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析研究。
（1）電機(jī)車電動機(jī)變頻調(diào)速的特點。
這種系列支流電機(jī)車的變頻調(diào)速器是采用世界最先進(jìn)的DTC變頻調(diào)速技術(shù)，配備了進(jìn)口原裝全套控制電路及進(jìn)口智能型IGBT模塊元件研制而成的。DTC控制技術(shù)使三相鼠籠交流電動機(jī)超過直流電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩，滿足電機(jī)車在低速時的最大啟動牽引力。其特點如下：實現(xiàn)無級調(diào)速，最低可調(diào)頻率0.1Hz，車輪最低轉(zhuǎn)速可調(diào)至0.5r/min；無級別實現(xiàn)任何車速限制，下坡行駛限速可靠、效果優(yōu)良；電動機(jī)轉(zhuǎn)速與控制器指令保持一致，調(diào)速器手把打到零位即實現(xiàn)制動，機(jī)車由高速轉(zhuǎn)向低速時能有效克服慣性；調(diào)速器具有電動機(jī)短路、缺相、過電壓、欠電壓保護(hù)功能，當(dāng)操作不當(dāng)致使變頻器溫度≥85℃時，調(diào)速器自動封鎖輸出。
（2）直接轉(zhuǎn)矩控制的特點
調(diào)速技術(shù)經(jīng)歷4代發(fā)展為直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），在很大程度上克服了第三代矢量控制（POC）的缺點，成為交流電動機(jī)調(diào)速控制的又一次突破，正成為電力電子與電力傳動領(lǐng)域應(yīng)用的熱點。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，所需信號處理特別簡單，所用控制信號使觀察者對交流電動機(jī)的物理過程能夠做出直接和明確的判斷；直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就能觀察出來；直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量概念分析三相交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制各物理量，使問題變得簡單明了；直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果。
（3）礦用電機(jī)車應(yīng)用DTC控制技術(shù)
由于工作環(huán)境特點所致，礦用電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)處于頻繁的啟動、制動和加減速等狀態(tài)，還要適應(yīng)負(fù)荷上下坡和顛簸路況等情況，因此要求電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)。另外，調(diào)速系統(tǒng)不但需要能夠四象限運(yùn)行，還需要能夠再生制動到低速。這樣，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大的時候，轉(zhuǎn)速就能夠迅速下降，而電動機(jī)的輸出功率基本不變，從而使得電動機(jī)不容易因負(fù)載增大而引起過載。反之，當(dāng)負(fù)載變小的時候，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠自然上升，以利于提高生產(chǎn)效率。此外，為了防止主輪打滑，調(diào)速系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)考慮具有最大轉(zhuǎn)矩限幅的功能。由于逆變器和電動機(jī)都安裝在電機(jī)車上，所以整個調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)盡可能設(shè)計得體積小、重量輕、硬件結(jié)構(gòu)簡單和控制方便。對于直接轉(zhuǎn)矩控制而言，在高速運(yùn)行階段，除了電動機(jī)定子電阻，不需要知道其它參數(shù)，所以直接轉(zhuǎn)矩控制對電動機(jī)參數(shù)的依賴性比矢量控制要低許多。其產(chǎn)品包括5t、8t和10t隔爆型電動機(jī)斬波調(diào)速控制裝置，目前已經(jīng)廣泛用于以電池為動力源的、交流電動機(jī)牽引驅(qū)動的礦山電機(jī)車上。
（4）體會
利用這種調(diào)速器控制的各類電機(jī)車，可以有效地解決牽引電動機(jī)低速啟動力矩低、帶速度啟動、掉電再啟動及系統(tǒng)防塵、防水、防振等問題，具備過流、過壓等全面保護(hù)功能。這種電機(jī)車采用我國先進(jìn)的DTC低速高轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速技術(shù)，將架線或者蓄電池的直流電通過大功率IGBT元件逆變?yōu)楣β士烧{(diào)的三相交流電，驅(qū)動三相異步電動機(jī)。由于采用DTC控制技術(shù)，使得三相異步電動機(jī)達(dá)到和超過直流電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩及牽引特性（如1Hz時最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定值300%，是直流電動機(jī)1.66倍），使電機(jī)車帶重載啟動強(qiáng)勁有力。它與傳統(tǒng)的直流電機(jī)車相比，具有交流電動機(jī)不容易損壞、司機(jī)控制器無觸頭無磨損以及不用高耗能調(diào)速電阻的特點，屬于高可靠、高能、高節(jié)電的設(shè)備。
