变频节能技术在煤矿的应用

温玉婷

(黑龙江煤炭职业技术学院，黑龙江 双鸭山 155100)

1 提升系统中的应用

(1)直流制动的作用。当重车需在井筒中间停车时，变频器由高速平滑地降到低速，随之施加一个直流制动信号使提升机停止，机械制动起作用后方可去掉直流制动信号，使重车靠机械抱闸的作用停在中间。启动时先对电机施加一个直流制动信号，当检测到机械抱闸打开方可去掉直流制动信号，加上启动电压，提升机转动。机械抱闸抱紧状态一直在变频器检测下，一旦机械抱闸打开马上给电机施加直流制动信号，避免重车“溜勾”现象。

(2)S形速度曲线。为减少运行的机械冲击，在变频器启动与停止过程中最好做到加速度是连续的，即S形加、减速曲线。当井下及井口停车倾角很小时，要求提升机运行速度很低，否则会出现“松绳”现象。另外，井筒罐道要求变频器能以不同频率工作。根据现场情况，变频器可设置5个频率段主令控制器的不同位置对应不同的直流控制电压，即对应不同的运行频率。

(3)自动限速保护。当运行接近终点时给出一个减速信号，接到此减速信号后，如主令控制器已操作减速，则变频器按主令控制器的操作改变运行速度;若收到减速信号后主令控制器没有正常操作，则自动启动机内的自动减速程序，将变频器工作频率按预定要求逐步改变为低速运行。这对于预防“过卷”是十分必要的。此外，当提升机带有测速发电机给出超速信号时，变频器也能自动减速。

(4)连锁开机功能。提升机开机须按给出命令操作。当给出“上行”或者“下行”命令的时候，如人员操作与命令不符，连锁功能就对此操作不响应，变频器不启动。连锁功能是保证安全运行的重要措施。

(5)对再生能量的处理。变频器的主回路采用双向逆变方案。

2 矿井主扇风机实现自动化调频控制

(1)系统自动化控制。PLC接到运行指令时，判断运行机号和运行方式。若为低频方式则驱动低频接触器吸合，延时0.4s发出变频器运行令，电机启动至设定频率风门绞车开启扇风机进风门，前导器执行机构打开扇风机前导器，使扇风机进入工作状态。若为工频方式则控制风机降压启动，当启动电流降至设定值时停掉降压启动接触器，吸合运行主接触器，风机转入全速运行状态，30s后风门及前导器自动打开。

(2)风量闭环控制。风机低频运行时，风量由给定信号控制。该信号与风量传感器反馈信号同时进入PLC的A/D模块，经CPU比较调节后，输出信号由D/A模块送至变频器频率设定接口，调节变频器输出频率，从而改变风机转速。

(3)风机低频故障转换。PLC在风机低频运行中自动检测变频器运行情况，变频器出现高中时自动切除低频系统使风机转入工频运行。

(4)电机过流保护。电机变送器将主回路电路电流信号转换后送入CPU内部功能存贮器，CPU在每个扫描周期将该数据与内部电流设定值比较，超过设定值即进行保护。

(5)风门行程精确控制。PLC开闭风机风门时，安装在风门绞车主轴上的轴编码器将风门行程转换为数据信号送至高速记数模块，待其译为BCD码后存入内部存储器，CPU在每个扫描周期将BCD数据与行程设定值比较，超出设定值即停车。

3 在井下采煤系统应用

3.1 采煤机ACS－800变频器的调试运行

ACS－800变频器有着优良的调速性能和显著的节能效果被广泛应用于煤矿及其他众多行业。正确设置变频器的基本参数是十分重要的。

①选择语言，设置电动机启动数据。有十五种语言可供选择，应选(ENGLISH)英语，(FACTORY)基本应用于工厂、(NO)不恢复出厂设置、(DTC)直接转矩控制。根据电动机铭牌选择合适的电压、频率范围、电动机转速和电动机功率等。

②通过设置数字输入端，实现外部启动、停机和旋转方向。加速时间就是变频器输出频率由零频升到最大频率所需时间，一般8～10s。减速时间是从给定最大值降至零频所需时间，一般3～5s。确保加速时不过流、减速时不过压。加、减速时间可根据电动机功率进行计算，实际应用时根据现场情况适当调整，以不出现过电流、过电压为原则。

③加减速模式选择。变频器加减速有线形、非线形和S形曲线运行模式。采煤机启动和运行负载变化较大，且加速度要缓慢，变频器可选择S形曲线运行模式，以满足不同的复杂地质条件需要。

④设置转矩补偿。以此来提高电动机在低速启动时转矩提升，应采取自动补偿功能，确保电动机加速顺利进行。

⑤电子过流保护功能设置。这是为了保护电动机因过流而烧毁，漏电保护功能对电动机及电缆实时监视绝缘情况。工作电流超过设定值时过流保护功能动作，绝缘值下降至设定值以下时漏电保护功能将切断电源，实现保护牵引电动机的要求。

⑥模拟加载调试采煤机。接上电源后仔细观察有无异常现象，然后进行初加速。在加速时限制频率给定时要缓慢，频率上升率不要太陡，以防止出现过电流保护。此时观察电动机转速是否由小到大过渡运行平稳确保电动机接近满载情况下可靠运行。

3.2 电牵引采煤机变频器故障分析与处理

对于采煤机只能进行单向行走的单向牵引事故，除平时经常清理按钮表面的粉尘，并做好防锈处理以防出现按钮卡住现象外，还要加强对插座的维护和保护，控制线在压接时用力适度，线头压得过紧易出现断丝，采煤机振动时易造成线头虚接。

对于采煤机运行时能牵引，但在行走过程中经常出现突然停机，停机后有时有故障显示有时无故障显示，复位后仍能开机的病态牵引事故，先不要急于动手，首先询问司机关于采煤机工作运行情况和故障现象，观察功能显示和参数显示，仔细倾听采煤机运行声音，分清是机械故障还是电气故障，确定故障范围，由点到面层层分析，然后再进行事故处理。

对于采煤机不牵引的事故，其原因可分为硬故障和软故障。硬故障是指采煤机出现不牵引后信息显示直观，能直接从显示窗口上获得故障信息。软故障是指采煤机出现不牵引后从显示窗口查不出各种信息，故障点信息较模糊，难以对事故进行处理。现场处理是更换功率平衡板。该板是易损件，出现类似事故时应及时更换。平常应加强对变频器电源输入联接线的维护，采取隔离和包扎等措施，使变频器电源输入线不与器壁和其他元件接触，可有效防止事故发生。

3.3 交流电牵引采煤机综合试验台

①交流变频调速试验单元:主要设备有油自冷式调压器、三相异变电动机、直流电动机和数字式直流调速装置、转速转矩传感器、控制台，实现交流变频调速装置电气性能和牵引电机及机械性能的测试，完成变频调速装置保护功能的测试。能测试的项目主要有变频器在空载状态下的工作性能试验、加载试验、温升试验、电网电压波动试验、速度调节范围试验、制动与正反转运行试验、机械调速特性试验。

②计算机信号数据处理单元:核心设备有工业控制用计算机(含模拟量、数字量、输入输出接板)、宽行彩色打印机、信号调理变送电路，主要用来采集来自交流变频调速单元的信号和数据，按照测试项目的要求进行数据处理和显示。

③采煤机控制、监测系统试验单元:共包括监测信号模拟发生电路(分别模拟采煤机牵引部、截割部等处的电流、温度、压力等检测信号，能在规定量程内变化，并具备计量校准的功能，可以代替原信号送检测中心)、采煤机操作信号模拟发生电路(模拟采煤机的各种信号，如送电、牵启、左行、右行等，可以代替原信号控制采煤机各部的动作)、采煤机动作响应显示电路(代替采煤机各部在控制中心输出信号后作出的响应指示)，主要对采煤机控制监测系统的功能进行测试。

4 在运输系统应用

4.1 隔爆变频调速装置在胶带输送机的应用

隔爆变频调速装置的操作可在本机控制，也可远程控制。此机控制是靠变频调速系统内置的触摸屏来设定运行参数。在触摸屏上进行运行和停止操作。远控时，通过工作台对变频调速系统进行外控操作。应用变频调速装置时，一般采用一拖一控制。当3台电机同时启动且2台电机同轴时，在隔爆变频调速装置间增加主从控制功能，可任意设置其中1台为主机、其余2台为从机。在现场中设置同轴的1台电机为主机、其余2台电机为从机，同轴的另一台电机设置为转矩跟踪，不同轴的第三台设置为速度跟踪。主机是调速装置群控中的首机，其他变频器都是从机。主机只有1台。在运行中只对主机控制，全部从机同步自动跟随主机动态运行，实现良好的主从关系目标控制运行模式。

经过较长时间的运行检验证明，真正实现了电机软启动和胶带输送机软启动合二为一。通过电机慢速启动带动胶带机缓慢启动，将胶带内贮存的能量缓慢释放，几乎对胶带不造成损害，设备启动特性平稳，极大降低了设备的维护检修量，同时节能效果明显。隔爆变频调速装置以其特有的软启动特性和较高的性价比，成为矿山井下胶带输送机驱动的发展方向。

4.2 变频器软启动在胶带机中的应用

使用变频器，驱动电机直连滚筒，通过设置变频器输出电流频率由0Hz到设定频率的变化时间，就可设置胶带机软启动的启动时间。为尽量减少胶带机启动时对电机及胶带机各部件的冲击，启动时间可设置成10s以上。变频器启动力矩大，尤其适合重载启动，这对胶带机十分有利。胶带机运行时，由于环境恶劣，经常发生各类紧急停车故障，一旦重载停车，由于耦合器在软启动时启动速度过快，且对多电机驱动的胶带机无法做到各电机的功率平衡，易造成电机过载停车，对滚筒和联轴器等设备的损害十分大。改用变频器后可通过调节变频器输出频率的大小来实现各电机的功率平衡，在启动过程中通过降低电机的频率可实现在小电流下的大功率输出，最大程度降低了对电机及胶带机的损伤。

变频器的另一重要用途是验带功能。胶带机的日常检修工作中一个很重要的任务就是在胶带运行时检修胶带的磨损情况。但是，如果在满速情况下很难清楚地看到胶带的破损部位。该矿北部胶带输送机使用的4套变频调速装置可以设置两种频率启动。在现场应用中，将第一个频率设置为40Hz(根据采区煤量多少自行调节)、第二个频率设置为10Hz，对应4.5m/s的满速速度，能实现接近0.9m/s的验带速度。与使用耦合器作为传动装置相比，空载时电耗仅为50%，重载时节省30%。

4.3 变频调速技术在电机车电动机的应用

电机车是矿井轨道运输的主要牵引设备。其中，架线式牵引机车多年来一直沿用结构复杂、故障率高和维修费用大的直流电动机，而且目前国内绝大多数矿山牵引机车还在使用触头电阻调速方式，处于耗电量大与维修量大的状态。变频调速牵引机车采用故障率低和性能可靠的三相异步交流鼠笼式电动机，结合技术先进与节电效果显著的变频调速器，取代了直流电机车比较落后的驱动技术，达到当代世界先进技术水平。

由于工作环境特点所致，矿用电机车调速系统处于频繁的启动、制动和加减速等状态，还要适应负荷上下坡和颠簸路况等情况，因此要求电动机启动转矩大、过载能力强。另外，调速系统不但要能四象限运行，还要能再生制动到低速。这样，当负载转矩增大时，转速就能迅速下降，而电动机输出功率基本不变，从而使电动机不易因负载增大而引起过载。反之，当负载变小时，电动机转速能自然上升，以利于提高生产效率。此外，为防止主轮打滑，调速系统还应考虑具有最大转矩限幅的功能。由于逆变器和电动机都安装在电机车上，所以整个调速系统应尽可能设计得体积小、重量轻、硬件结构简单和控制方便。对于直接转矩控制而言，在高速运行阶段，除电动机定子电阻，不需知道其他参数，所以直接转矩控制对电动机参数的依赖性比矢量控制要低许多。其产品包括5t、8t和10t隔爆型电动机斩波调速控制装置，目前已广泛应用于以电池为动力源的、交流电动机牵引驱动的矿山电机车上。