高压变频器远距离供电方式在矿用刮板输送机上的应用

乔中栋,张存文,杨国宏,田顺利

(甘肃华亭煤电股份有限公司华亭煤矿， 甘肃 平凉 744000)

0 引言

刮板输送机是综采工作面(以下简称采面)主要的机械化设备之一。近年来，随着高压变频器技术的发展，其被越来越多地用于驱动刮板输送机上的电动机，以取代传统的CST、组合开关、液力耦合器等。受煤层开采环境限制，高压变频器无法放置在狭小的采面内，通常采用高压变频器放置在采面附近顺槽内的供电方式。但该方式存在很多问题，正逐步被高压变频器远距离供电方式所取代[1-4]。

1 高压变频器放置在采面附近顺槽内的供电方式存在的问题

高压变频器放置在采面附近顺槽内的供电方式，即将高压变频器及配套设备放置在距离采面附近的顺槽内的可移动设备列车上，再通过电缆连接刮板输送机上的电动机。该方式主要存在如下问题：

1) 采面附近不安全。采面附近是煤矿事故多发带,具有瓦斯突出，煤尘爆炸、片帮、冒顶、矿压显现等多种不安全因素。华亭煤矿2501采面顺槽内矿压显现频繁，冲击破坏性较大，严重威胁设备及人员的安全。

2) 影响生产效率，增加安全隐患。高压变频器放置在采面附近顺槽内，需要使用可移动设备列车来进行承载。一方面，可移动设备列车需要频繁移动，在移动过程中不能进行煤矿开采，降低了生产效率；另一方面，移动设备列车操作复杂，存在安全隐患。如果巷道变形，无法通过设备列车,还需人工重新扩大巷道，耗费大量人力和物力。

3) 占用巷道空间，影响通风。高压变频器放置在采面附近顺槽内会占用大量巷道空间，严重影响工作面的通风安全。同时,还会产生工作面大型设备部件运输受阻、巷道行人不畅等问题。

2 高压变频器远距离供电方式在华亭煤矿的应用情况

2.1 现场设备配置

华亭煤矿2501采面为了解决高压变频器放置在采面附近顺槽内的供电方式存在的问题，采用了高压变频器远距离供电的方式。该方式取消了设备列车，将高压变频器及配套设备放置在远离采面的固定硐室，再通过2 500 m长的电缆连接刮板输送机电动机。详细配置见表1。

表1 远距离供电方式现场设备配置

2.2 高压变频器远距离供电过程中遇到的问题及解决办法

2.2.1 长线缆上的压降损失问题

图1 提高输出电压算法原理图

2.2.2 变频器输出电流的谐波问题

由于变频器和电机之间的长电缆存在很大的对地分布电容，导致高压变频器输出电流含有很大的谐波，必须用输出电抗器来进行抑制。但高压变频器所用旧型电抗器无法满足要求，究其原因：一是旧型电抗器的铁心为普通硅钢片，在高谐波电流作用下容易磁饱和而失去谐波抑制作用;二是旧型电抗器的电感量选择不合适，它是根据变频器满载电流来选择的，但实际电流只有满载电流的一半。

为了有效抑制电流谐波，高压变频器更换了新型电抗器来代替旧型电抗器。为了解决铁心磁饱和问题，新型电抗器铁心所用的硅钢片采用了进口高饱和磁通密度0.25 mm有曲向硅钢片,以代替旧型电抗器0.35 mm无曲向硅钢片(见图2、图3),并且新型电抗器的电感量也根据实际电动机电流来重新选择。

1-0.35 mm无曲向硅钢片;2-线圈;3-气隙。

采用新型电抗器后，相比于旧型电抗器，高压变频器输出电流波形明显改善(见图4和图5),电流谐波也得到了有效抑制，THD从42%降到21%。铁心发热也明显降低，最高温度从120 ℃降到60 ℃。电流谐波抑制效果明显，满足了使用要求。

2.2.3 电动机端高尖峰电压问题

由于变频器输出电压脉冲具有很高的du/dt，再加上输出电缆和电动机阻抗不匹配,这会导致电动机端产生高的尖峰过电压。试验证明，随着电缆长度的增加，电动机端尖峰过电压将增大，当超过某一长度时，其尖峰电压近似额定电压的2倍。如果电动机绝缘不够，就会导致电动机匝间绝缘击穿而损坏。为解决这一问题，高压变频器在逆变侧采用中点钳位式三电平拓扑结构(见图6)。该结构相比于传统两电平拓扑结构，能够有效减少谐波和du/dt。同时,在变频器内部的输出电抗器电感两端并接电阻来吸收尖峰电压。实测并电阻后，电动机端尖峰电压从8 000 V降低到5 760 V。

1-0.25 mm有曲向硅钢片。

图4 旧型电抗器时电流实测波形

图5 新型电抗器时电流实测波形

1-IGBT;2-钳位二极管;3-电阻;4-输出电抗器;5-长电缆;6-电动机。

3 结语

高压变频器远距离供电方式在华亭矿2501采面的成功应用,不但克服了高压变频器远距离供电存在的难题,而且提高了煤矿生产效率，降低了维护成本,消除了以往方式存在的各种不安全因素,这为高压变频器远距离供电方式在全国煤领域推广起了带头作用。