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內容摘要：本文論述了合康HIVERT高壓變頻器在煤礦行業上的改造與應用。煤礦的運輸設備主要包括提升機、皮帶機和鋼纜機，露天開采的鐵路機車，大型煤礦的直接汽車運輸，但是皮帶機和鋼纜機仍然是大型煤礦的主要運輸設備。

關鍵詞：恒壓控制  高壓變頻器  礦井提升機  皮帶機  主通風機

前言

　　我國煤礦開采僅在2009年即耗能5086.81×10△t標準煤,耗電376.04×108kW?h,分別占全國總耗能量和總耗電量的3.86%和3.49%。所以，煤炭工業既是產能大戶,又是耗能大戶，同時也是節能潛力大戶。目前我國煤礦行業存在電機啟動困難、機械損傷嚴重以及自動化程度低等問題，迫切需要利用變頻技術進行節能降耗。據統計，按節電率30%計，采用變頻調速技術年節電潛力至少為10×108～15×108kW?h。所以，利用變頻技術對現有電機設備進行節能改造，是解決我國煤炭工業高消耗、低效益的措施。

高壓變頻大環境

　　合康高壓變頻器具有瞬時停電跟蹤功能，實現了高轉矩、高精度、寬調速范圍驅動。同時具有低速輸出轉矩大、過載能力強、保護功能齊全、可靠性高、故障率低、維護方便等優點。由于采用了高壓變頻控制技術，整個運行過程平穩、無級調速、乘坐舒適，減少了機械的沖擊，延長了設備使用壽命，產生了非常可觀的經濟及社會效益。

一、同步電機變頻調速技術的難點分析

　　通常同步電機啟動有兩種方式：一種先投勵，同步啟動；一種異步啟動，后順極性投勵。對于同步電機變頻啟動均采用先投勵，同步啟動，但常會出現轉子位置判斷不正確導致電機啟動失敗。針對同步電機變頻調速改造，很容易采用異步啟動，順極性投勵方式，所以maxf變頻裝置對同步電機進行異步軟啟動，實現額定啟動力矩，將同步電機啟動到8Hz左右進行順極性投勵，具體所投勵磁大小及投勵時頻率可以根據不同應用場合調試確定。至此，電動機轉子磁場和定子磁場間夾角經過小量有阻尼震蕩后，電機轉子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機進入同步運行狀態。變頻器按照預先設定的加速度，逐漸加速到給定頻率。此時，同步電機電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角逐漸拉大到某一常值，電機轉子磁極在定子磁場的吸引下逐漸加速至期望轉速，同步電機起動過程完成。

二、恒壓控制工作原理及系統方案

　　圖一是設備改造的系統圖。恒壓控制在控制理論上是一種跟隨控制，供水管網的出水壓力由壓力變送器（西門子）檢測之后，將其轉換為4～20mA電流信號送入變頻器，變頻器將根據被控量的實際值和期望值，按照PID調節參數中設定的PID參數，自動調節變頻器的輸出頻率，使被控量的實際值自動跟隨期望值。使管網的實際水壓跟隨設定水壓變化，并動態維持在設定水壓上。

　　為了保證整個系統運行的可靠性，圖中的旁路柜，k1～k3采用聯鎖手動隔離開關，當變頻器出現嚴重故障不能繼續運行、兩級單元旁路后再有單元發生故障時，變頻器將立即封鎖輸出，并分斷上級開關柜真空斷路器DL，操作人員對旁路柜進行手動切換在工頻狀態，再合上真空斷路器DL，將電機投入工頻電網運行。開關設備各部分的投入和退出，仍應嚴格按操作說明的規定進行，不應隨意操作，更不應在操作受阻時，不加分析強行操作，否則，容易造成設備損壞，甚至引起事故。

圖一 變頻器系統結構圖
 

三、保護功能

　　HIVERT－Y10/029高壓變頻器在運行中具有過壓保護、欠壓保護、缺相保護、半導體器件過熱保護和變壓器過熱保護的功能。

四、變頻器的使用

　　在節能降耗方面，由于該廠原有調速設備也是變頻設備，在節能方面沒有明顯的效果，在高壓變頻設備投產前，配水單位電耗平均約4.73 kWh/km3.m，設備投產后實際配水單位電耗約4.50 kWh/km3.m，下降0.23 kWh/km3.m，節能效率4.86％。另外使用了高壓變頻控制，也省了一臺400kVA變壓器的銅鐵損耗。

　　在使用中要注意清洗過濾網的工作，高壓變頻器柜門外裝有過濾層，用于阻擋粉塵進入單元內部。要經常用一張A4紙檢查變壓器柜、功率單元柜進風口風量，看紙張是否能被過濾網牢牢吸住，如吸不住應及時排除（檢查冷卻風機是否運轉正常，更換或清洗過濾網）。應定期維護間隔推薦為每半年一次，如灰塵較多，過濾網更換周期可縮短到一個月一次。

五、恒壓控制

　　作為礦井井下和地面的工作機械，礦井提升機（mine hoist）是一種大型絞車。用鋼絲繩帶動容器（罐籠或箕斗）在煤礦井筒中升降，完成輸送物料和人員的任務。礦井提升機是由原始的提水工具逐步發展演變而來。現代的礦井提升機提升量大，速度高，已發展成為電子計算機控制的全自動重型礦山機械，如圖二是礦井提升機結構圖，圖三是改造后的礦井提升機工作原理。
 

圖二 礦井提升機結構圖



圖三  改造后的礦井提升機工作原理
 

　　未改造的礦井提升機存在工作可靠性低、故障率高、穩定性較差、能源消耗大等弊端。經過高壓變頻器改造后的礦井提升機的工作步驟如下圖四。
 

圖四  改造后的礦井提升機的工作步驟
 

　　對于改造后的提升機無論正轉、反轉其工作過程是相同的，都有起動、加速、高速穩定運行、減速、低速爬行、制動停車等六個階段。每完成一次提升動作所用的時間，與系統的運行速度，加速度及斜井的深度有關。各段加速度的大小，根據工藝情況確定，運行的時間由操作工人根據現場的狀況自定。圖中各個階段的工作情況如下：

　　1．第一階段 t1：串車車廂在井底工作面裝滿煤后，發一個聯絡信號給井口提升機操作工人，操作工人再回復一個信號到井底，然后開機提升。重車從井底開始上行，空車同時在井口車場位置開始下行。

　　2．第二階段t2：重車起動后，加速到變頻器的頻率為f2速度運行，中速運行的時間較短，只是一過渡段，加速時間內設備如果沒有問題，立即再加速到正常運行速度。

　　3．第三階段 t3：重車以變頻器頻率為f2的最大速度穩定運行，一般這段過程最長。

　　4．第四階段 t4：操作工人看到重車快到井口時立即減速，如減速時間設置較短時，變頻器制動單元和制動電阻起作用，不致因減速過快跳閘。

　　5．第五階段 t5：重車減速到低速以變頻器頻率為f1速度低速爬行，便于在規定的位置停車。

　　6．第六階段 t6：快到停車位置時，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發一個聯絡信號到井下，整個提升過程結束。

　　以上為人工操作程序，也可按PLC自動操作程序工作。利用合康HIVERT高壓變頻改造后的提升機工作可靠性提高了。由于變頻器采用的是進口電子器件，壽命長，且具有完善的保護功能，用于提升絞車控制時，其可靠性很高，減少了故障率。通常變頻器都采用磁通矢量控制，使得交流電機的調速性能控制精度非常高。穩定的變頻技術應用使提升機基本無維護工作量，減低了維護人員的工作強度。使用矢量控制系統能夠使調速范圍寬廣，屬于無級調速，低速時穩定性好。采用變頻器控制提升機后，降低了運行噪聲、發熱量，改善了現場環境，而且使能源消耗大大降低。節能效果顯著，據實測可達到30%以上。電控系統現場變更控制內容十分簡單，安裝調試容易。自動化程度高，操作簡單，降低司機勞動強度和操作難度。

六、結束語

　　我國是世界上的產煤大國，也是噸煤電耗比較高的國家。由于技術、管理、體制等原因，大多數煤礦的勞動力效率低下，對于我國的煤礦開采業應以可持續發展為根本目的。通過許多的實際應用案例表明，高壓變頻器應用于煤礦系統改造能取得良好的運行效果和經濟效益。在國家倡導建設節約型社會的大形勢下，煤礦行業高壓變頻改造正在成為前途光明的朝陽產業。合康HIVERT高壓變頻器以穩定的質量和良好的服務致力于與煤礦行業加強合作，共創美好的未來。